Geri Dön

Environmental stresses applied to microalgae for high lipid production

Yüksek lipit üretimi için mikroyosunlara uygulanan çevresel stresler

PDF İndir

  1. Tez No: 853011
  2. Yazar: ECE POLAT
  3. Danışmanlar: DOÇ. MAHMUT ALTINBAŞ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyokimya, Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biochemistry, Biotechnology, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 282

Özet

Doğal kaynakların ülke ekonomisine katkısını artırmak ve yenilenebilir enerji kaynaklarına olan talebi arttırmak amacıyla dünyada pek çok yasal düzenleme yapılmaktadır. Biyokütle enerjisi, düşük maliyetli ve sürdürülebilir enerji kaynağı olduğundan yüksek bir potansiyele sahiptir ve petrol türevli dizel üretimine rakip olarak daha az çevresel zararı olan bitkisel yağların biyodizel üretiminde kullanılması ile ilgili birçok araştırma mevcuttur. Fosil yakıt kullanımını sonucu oluşan çevresel problemleri ve emisyonları minimuma indirmek ve fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak için biyokütle, su ve solar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı giderek önem kazanmaktadır. Enerji kaynaklarının da hızla azaldığı göz önünde bulundurulursa; bünyesinde yüksek oranda lipit depolayabilen ve üretimi solar enerjiye dayalı olan mikroyosunları yakıt kaynağı olarak kullanmak oldukça cazip bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. Mikroyosunlar, bitkiler ve diğer enerji yöntemleri ile karşılaştırıldığında az yer ihtiyacı ve yüksek lipit üretim miktarı nedeniyle araştırmacılar tarafından tercih edilmektedir. Günümüzde mikroyosunlarla ilgili yapılan çalışmalar özellikle en yüksek lipit üretimi yapan mikroyosunu seçmektir. Bunun için stres koşulları, adaptasyon yada genetik manipülasyonlar denenmektedir. Ototrof ve heterotrof mikroyosunlar ürettikleri yüksek lipit miktarı nedeniyle biyoyakıt üretiminde tercih edilmektedir. Ancak fosil yakıtların üretim maliyeti alglerden elde edilecek yakıt üretim maliyetine göre halen düşüktür. Bu nedenle ekonomik açıdan bakıldığında mikroyosunların biyodizel olarak kullanılması uygun değildir. Bu yüzden mikroyosunların ekonomik olarak üstün olabilmesi için lipit üretim veriminin artırılması gereklidir. Lipid üretim veriminin artması sadece ürettiği lipid miktarının artması değil, aynı zamanda artan lipid miktarına bağlı biyokütle üretim hızının da yüksek değerde olması ile ilişkilendirilebilir. Önceki yapılan çalışmalarda mikroyosunların büyüme ortamında gerçekleşen değişimlere karşı tepki olarak stres oluşturdukları ya da büyüme indüklenmesi, biyokütle inhibisyonu ya da biyokimyasal madde yapısında önemli ölçüde değişiklikler göstererek daha yüksek lipid, protein, karbonhidrat ve daha yüksek kalitede yağ asidi metil esteri üretmeleri gözlenmiştir. Yapılan çalışmalarda biyoyakıt olarak kullanılacak mikroyosunun yüksek biyokütle üretimi, yüksek lipid üretimi ve yüksek kalitede yağ asidi metil esteri üretmesi istenmektedir. Bahsedilen bu çalışmada asıl hedef fosil yakıtlara alternatif olan biyodizelin üretiminde kullanılabilecek lipitlerin üretim maliyetini düşürmektir. Böylece fosil yakıtlar ile ekonomik olarak rekabet edebilecek düzeyde verimli olan mikroyosun elde edilmesi için önemli bir adım atılmış olacaktır. İstenilen özellikte biyokütle, lipid ve lipid kompozisyonuna sahip mikroyosun elde etmek amacıyla bu çalışmada başlıca hem heterotrofik hem de fototrofik büyüme özelliği gösteren Auxenochlorella protothecoides mikroyosunu incelenmiştir. Bu tez çalışması on bölüm altında toplanmıştır. Çevresel stres koşulları altında sürdürülebilir mikroyosun biyozidel üretiminin değerlendirilmesi sonrasında, bu çalışmada öncelikle nütrient niteliğindeki farklı stres faktörlerinin başta büyüme kinetiği, biyokütle, lipid ve yağ asidi metil esteri kompozisyonu olmak üzere klorofil, karoten gibi fotosentezle ilgili parametreler üzerindeki etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlarla biyodizel kalitesine yakın kalitede lipid elde edilip edilmediği yapılan hesaplamalarla incelenmiştir. Sonrasında, farklı stres faktörlerinin oluşturacağı çoklu etki incelenmiş ve optimum parametre değerleri yüzey tepki metodu ile modellenmiştir. Son bölümde ise iki aşamalı büyütme prosesinin mikroyosun lipit üretimine etkisi incelenmiştir. Sonuçlar özetlenmek istenirse, farklı konsantrasyonda yapılan demir sülfat eklenmesi veya yoksunluğu üzerine yapılan çalışmada sadece 0,2 mM ve 14,4 mM demir sülfat içeren büyüme koşullarında elde edilen lipidin kalitesinin biyodizel niteliği taşıdığı gözlenmiştir. Ayrıca Auxenochlorella protothecoides'in 21,6 mM konsantrasyonunda bile büyüme özelliği gösterdiği sonucuna varılmıştır. 1,08 mM demir sülfat konsantrasyonunda en yüksek biyokütle (1520 mg/L) elde edilmişken, en yüksek doymuş yağ asidi 1,44 mM demir sülfat içeren durumda gözlenmiştir. Lipid üretiminde çok belirgin bir değişkenlik olmamasına karşın demir yoksunluğu durumunda en yüksek lipid miktarı (%59,6) gözlenmiştir. Azot açlığı, yoksunluğu ve aşırı eklenmesi durumunda yapılan incelemede, sadece 0,8 mM NH4Cl eklenerek büyütülmüş biyokütlenin biyodizel standardını sağladığı gözlenmiştir. Bu azot değerinde ölçülen lipid miktarı ise, %53,8 gibi yüksek bir rakamdır. Fakat bu durumda elde edilen biyokütle normal miktarda azotla yapılan büyüme koşuluna göre 1,7 kat daha düşüktür. Bu durum artan lipid miktarına karşı stres altında azalan biyokütle kavramına kanıt niteliğindedir. Bitki hormonları, çeşitli hücre metabolik yolaklarına katılarak bazı enzimlerin aktivitelerini değiştirerek hücre büyümesi hızlandırma, yavaşlatma ve hücre biyokimyasal ürünlerini değiştirebilme özelliği gösterebilmektedir. Absisik asit bitkilerde kullanılan büyüme durdurucu özellik gösteren bir hormondur. Bu hormonun Auxenochlorella protothecoides büyüme ortamına uygulanması mikroyosunun stres ortamda daha fazla lipid üretmesine neden olabilir düşüncesiyle gerçekleştirilen absisik asit eklenmesi çalışması, diğer çalışmalardan farklı bir besiyeri ortamında gerçekleşmiş ve bu besiyeri ortamında gliserol karbon kaynağı olarak ilave edilmiştir. Yapılan çalışmada 2,5 µM ve 40 µM absisik asit eklenmesi koşullarında mikroyosun lipidinin yüksek kalitede özellik göstererek biyodizel standartlarını sağladığı gözlenmiştir. Ayrıca 2,5 µM absisik asit konsantrasyonunun da büyüme teşvik ettiği sonucuna varılmıştır. Bunun dışında 2,5 µM ve 10 µM absisik asit konsantrasyonlarının yüksek miktarda lipid içerdiği gözlenmiştir. Çoklu stres faktörlerinin mikroyosun lipid, biyokütle yapısına etkisi elde edilen deneysel sonuçlar yüzey tepki metodu kullanılarak kuadratik denklemlerle korale edilerek maksimum biyokütle ve maksimum lipid için gerekli olabilecek optimum koşullar araştırılmıştır. Bu amaçla ilk çalışmada hidrojen iyonu konsantrasyonu belirteci olan pH ve karbon kaynağı olarak bilinen asetat parametreleri değişken olarak seçilmiştir. Farklı pH ve asetat içeren ortamlarda gerçekleştirilen kesikli mikroyosun büyüme deneyleri yüzey tepki metodolojisi kullanılarak üç boyutlu olarak modellenmiştir ve yüksek biyokütle ve yüksek lipid koşulunun sağlandığı durum bu model sonucunda elde edilmiştir. Çoklu stres faktörlerinin incelenmesi amacıyla gerçekleştirilen ikinci çalışmada magnezyum yoksunluğu ve sodyum klorür tuzunun büyüme ortamına eklenmesi ile klorofil, karoten, biyokütle, lipid, protein ve karbonhidrat parametrelerinde oluşan değişimler gözlenmiştir. Bu değişimler stres biyomarkerı denilen serbest radikal oluşumu ve lipid peroksidasyonunun son ürünün olan malondialdehit değerleri ölçülerek desteklenmiştir. Elde edilen sonuçların yüzey tepki metodolojisi kullanılarak üç boyutlu grafikleri elde edilerek maksimum biyokütle ve maksimum lipid üretimi için etkin olabilecek magnezyum ve sodyum klorür konsantrasyonları hesaplatılmıştır. Lipid içeriğindeki artış ve biyokütledeki azalma genellikle biyodizel özellikleri iyileştirilmiş bir suş geliştirmek için yeterli değildir. Etil metan sülfonat gibi kimyasal mutajenez yoluyla yüksek lipit ve biyokütle içeriğine sahip sağlam bir tür elde edilebilir. Bu çalışmada, bir çeşit ACCaz inhibitörü herbisit olan seçici bir ortam dikkate alınarak uygun mutant seçilimi kimyasal mutajenez sonrası gerçekleştirilmiştir. Bu tezin son aşamalarında, bu çalışma farklı nitrojen formlarının (nitrat ve amonyak) ssıvı fermente ürün varlığında karışık mikroalg kültürlerinin büyümesi üzerindeki etkisini inceledi. Tuz ve demir stresi altında kültürlenen mikroalglerden elde edilen lipitlerin biyodizel özellikleri, biyodizel hammaddesi olarak uygunlukları açısından değerlendirildi. Bu tez kapsamında elde edilen veriler, fosil yakıt tüketimini azaltacak biyokütlenin enerji olarak kullanılabileceği sistemlerin gerekliliğini ortaya koymuştur. Ayrıca, literatürde eksik olan çoklu stres ve tekil stres datasına olumlu yönde katkı sağlayacak nitelikte mikroyosun bazlı biyodizel üretimini destekleyecek sonuçlar elde edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Natural resources are a major part of global economy, and a number of regulations have been implemented to increase the demand for renewable energy resources. There is a great deal of potential in biomass energy, since it is a low-cost and sustainable form of energy. In recent years, there has been significant research on the use of vegetable oil in the production of biodiesel as a competitive fuel to oil-based diesel, which results in significantly less environmental damage. The use of renewable energy sources such as biomass, water, and solar is becoming increasingly prevalent in an attempt to minimize environmental problems and emissions from fossil fuels. A very attractive solution would be to use microalgae as a fuel source since they can store high levels of lipids and can be fueled by solar energy. Due to their low space requirements and high lipid content, microalgae are preferred by researchers over plants and other types of energy sources. The majority of current studies on microalgae focus on macroalgae that produce high levels of lipids. Accordingly, stress conditions, adaptations, or genetic manipulations are being investigated. Autotrophs and heterotrophs produce a large amount of lipids, making them ideal candidates for biofuel production. In spite of this, fossil fuel production still has a relatively low cost in comparison to the production of fuel from algae. Due to these reasons, using microalgae as biodiesel is not economically feasible. Furthermore, in order for microalgae to be economically competitive, it is necessary to increase lipid production efficiency. It is likely that the increased efficiency of lipid production has been attributed to both an increase in the amount of lipid produced and a concurrently high rate of biomass production. According to previous studies, microalgae under stress induce biomass production, biomass inhibition, or significant changes in the structure of biochemical substances. They produce higher levels of lipids, proteins, carbohydrates, and fatty acids, as well as higher quality methyl ester fatty acids. It has been determined that microalgae that are intended for use as biofuels are required to produce a high level of biomass, a high level of lipid, and a high level of fatty acid methyl ester quality. A major objective of this study is to reduce the cost of producing lipids that can be used in the production of biodiesel, which can be used in place of fossil fuels. Thus, an extremely significant step will be taken to obtain microalgae efficient enough to compete economically with fossil fuels. In this study, the microalgae, mainly Auxenochlorella protothecoides, which have both heterotrophic and phototrophic growth properties, were investigated to obtain microalgae with suitable biomass, lipid, and lipid composition. The thesis is organized into ten chapters. In order to evaluate the sustainability of microalgae biodiesel production under stressful environmental conditions, various nutrient stress factors will be examined in relation to growth parameters, such as growth kinetics, biomass, lipid and fatty acid methyl ester composition, chlorophyll content, and carotene content. Based on the results obtained, it was determined whether or not biodiesel-quality lipids could be obtained. In the next step, multiple effects of different stress factors were examined, and optimum parameter values were derived using the surface response approach. The final section of the study examined the effect of the two-stage growth process on microalgae lipid production. Studying the addition or deprivation of ferrous sulfate at different concentrations revealed that only a concentration of 0.2 mM and 14.4 mM ferrous sulfate maintained the lipid in high-quality biodiesel. Additionally, Auxenochlorella protothecoides displayed growth properties even at a concentration of 21.6 mM iron sulfate. At 1.08 mM ferrous sulfate concentration, the highest biomass was obtained (1520 mg / L), while the highest saturated fatty acids were obtained at 1.44 mM ferrous sulfate concentration. Despite no significant variation in lipid production, iron deprivation led to the greatest amount of lipid (59.6%). When nitrogen starvation, deprivation, and excess addition were applied, only biomass grown under 0.8 mM NH4Cl met the biodiesel standard. In this case, the amount of lipid measured is 53.8%. However, the biomass obtained in this case is 1.7 times lower than that obtained in a nitrogen-containing medium. This study illustrates that biomass decreases under stress in response to an increase in lipid content. Through participation in various cell metabolic pathways via changing some enzyme activities, plant hormones are able to change the metabolism of plants, including acceleration or deceleration of cell growth and stimulation of cell biochemical products. Abscisic acid hormone is an inhibitory growth hormone used in plants. Adding this hormone to the growth environment of Auxenochlorella protothecoides may lead to more lipid production. According to this theory, abscisic acid was added in a different medium than in other studies, which served as a source of carbon for glycerol. Under 2.5 µM to 40 µM abscisic acid concentrations, microalgal lipids met high-quality biodiesel standards. It was also concluded that a concentration of 2.5 µM abscisic acid promotes growth. Additionally, high levels of lipids were found at concentrations of 2.5 µM and 10 µM abscisic acid. This thesis also examines the effects of multiple stress factors on microalgae lipids and biomass by using the surface response method and experimental results were correlated with quadratic equations, and optimum conditions for maximum biomass and maximum lipid were determined. For this purpose, in the first study, the acetate parameters known as the carbon source and pH as an indicator of hydrogen ion concentration were selected as variables. The growth experiments of batch microalgal growth have been conducted in different pH and acetate-containing media, which were modeled in three dimensions using surface response methodology, resulting in situations where high biomass and high lipid conditions were achieved and obtained as a result of this model. A second study concerning multiple stresses examined the effects of magnesium deprivation and sodium chloride salt on chlorophyll, carotene, biomass, lipid, protein, and carbohydrate parameters in growth media. Biomarkers of stress such as reactive oxygen species and malondialdehyde, a product of lipid peroxidation, confirmed these changes. Surface response methodologies were used to obtain three-dimensional graphs of the results, and magnesium and sodium chloride concentrations, which were likely to maximize biomass and lipid production, were calculated. An increase in lipid content while a decrease in biomass is generally insufficient to develop a strain with improved biodiesel properties. A robust strain with high lipid and biomass content may be obtained through chemical mutagenesis such as ethyl methane sulfonate. In this study, suitable mutants have been selected considering a selective environment which is a kind of ACCase inhibitor herbicide. In the final stages of this thesis, this study examined the effect of different forms of nitrogen (nitrate and ammonia) on the growth of mixed microalgal cultures in anaerobic digestate. The Biodiesel properties of lipids obtained from microalgae cultured under salt and iron stress were evaluated for their suitability as biodiesel feedstock. This thesis revealed that it is necessary to develop systems that make biomass available as a source of energy so as to reduce the use of fossil fuels as an alternative energy source. Furthermore, results were obtained to support microalgae-based biodiesel production, which would contribute to the lack of literature on multiple stress and singular stress.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    734885

    Antarktika'dan izole edilen Auxenochlorella pyrenoidosa Ozcimen.001 mikroalginin SARS-CoV-2-2'ye karşı antiviral etkinliği

    Antiviral efficacy of Auxenochlorella pyrenoidosa Ozcimen.001 microalgae isolated from antarctica against SARS-CoV-2

    SENA GÜLSOY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DİDEM ÖZÇİMEN

  2. Tez No

    783848

    Kuraklık ve UV-B streslerinin Türkiye'de yayılış gösteren bazı ıhlamur (Tilia sp.) türlerinde fizyolojik ve biyokimyasal değişimler üzerinde etkisi

    The effects of drought and UV-B stresses on physiological and biochemical changes in some linden (Tilia sp.) species in Türkiye

    UĞUR CANTÜRK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Ormancılık ve Orman MühendisliğiDüzce Üniversitesi

    Orman Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ŞEMSETTİN KULAÇ

  3. Tez No

    801906

    Kadmiyum stresine maruz bırakılan soya fasulyesi [Glycine max (L.) merrill] fidelerinde 24-epibrassinolid'in büyüme ve antioksidan sistem üzerine etkileri

    Effects of 24-epibrassinolide on growth and antioxidant system in soybean seedles exposed to cadmium stress

    FURKAN DEMİREL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    ZiraatÇanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi

    Tarımsal Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YONCA SURGUN ACAR

  4. Tez No

    519948

    Investigations on long non-coding RNAs in barley (Hordeum vulgare L.)

    Arpa (Hordeum vulgare L.)'da uzun kodlama yapmayan RNA'lar üzerine çalışmalar

    ELİF KARLIK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Biyolojiİstanbul Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NERMİN GÖZÜKIRMIZI

  5. Tez No

    812760

    Tuz stresine maruz bırakılan Salvia virgata Jacq. bitkisinde elisitör uygulamasının fizyolojik ve antioksidan kapasiteye etkileri

    Exposed to salt stress, Salvia virgata Jacq. effects of elisitor application on physiological and antioxidant capacity

    TÜRKAN OKTAY BOZABA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    BiyolojiBatman Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM SELÇUK KURU

Geri Dön