Geri Dön

Development of microalgae resistant to high ammonia concentrations

Yüksek amonyak derişimlerine dayanıklı mikroalglerin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 911056
  2. Yazar: UMUT METİN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyoteknoloji, Mikrobiyoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Microbiology, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: 115

Özet

Çeşitli fotosentetik mikroorganizmaların oluşturduğu bir grup olan mikroalgler, güneş ışığını, karbondioksiti ve besinleri karotenoidler, uzun zincirli doymamış yağ asitleri ve biyoyakıtlar gibi çeşitli değerli ürünlere dönüştürebilen“yeşil kimyasal fabrikalar”olarak potansiyelleriyle giderek daha fazla tanınmaktadır. Nispeten basit yapıları ve hızlı büyümeleri nedeniyle, mikroalgler sürdürülebilir biyolojik ürünlerin üretiminde umut verici bir çözüm olarak değerlendirilmektedir. Ancak, mikroalglerin büyük ölçekte yetiştirilmesiyle ilgili yüksek maliyetler, büyüme için gerekli olan pahalı besin girdileri nedeniyle önemli bir engel oluşturmaktadır. Bu sınırlamanın üstesinden gelmenin bir yolu, kültür ortamı olarak besince zengin atık suyun kullanılmasıdır; bu yaklaşım hem düşük maliyetli bir besin kaynağı sağlar hem de atık su arıtımına olanak tanır. Özellikle tarım ve sanayi kaynaklı atık sular, genellikle mikroalglerin tercih ettiği bir azot kaynağı olan amonyak açısından zengindir. Amonyak, hücre içinde enerji yoğun indirgeme reaksiyonları gerektirmediği için ideal bir azot kaynağıdır. Ancak yüksek konsantrasyonlarda amonyak, birçok mikroalg türü için toksik hale gelerek büyümeyi engeller ve biyokütle üretiminin verimliliğini düşürür. Bu toksisite, maliyet etkin alg tabanlı atık su arıtım sistemlerinin geliştirilmesinde teknik bir zorluk oluşturmaktadır. Bu nedenle, bu çalışma, yüksek amonyak seviyelerine dayanabilen mikroalg türlerinin potansiyelini araştırmakta ve performanslarını mutasyon yoluyla artırma stratejilerini incelemektedir. Çalışma iki ana aşamaya ayrılmıştır. İlk aşama, Chlorella vulgaris, Chlorella minutissima, Chlamydomonas reinhardtii ve Arthrospira platensis olmak üzere dört mikroalg türünün büyüme performansı ve azot giderim verimliliğini ölçülmüştür. Bu türler, yüksek amonyak konsantrasyonlarına karşı direnç, büyüme kapasitesi ve değerli bileşikler üretme yetenekleri temel alınarak seçilmiştir. Çalışmada, bu türlerin, belirlenen koşullar altında, 25 mg-NH₄⁺/L ile 1000 mg-NH₄⁺/L arasında değişen amonyak konsantrasyonlarındaki performansları ölçülmüştür. Büyüme koşulları, sıcaklık, pH ve ışık yoğunluğu gibi faktörler, tipik atık su ortamlarını simüle etmek amacıyla dikkatlice optimize edilmiştir. Amonyak sıyrılmasını en aza indirmek ve türler arasında tutarlı karşılaştırmalar yapabilmek için pH 8,0 olarak sabit tutulmuştur. Çalışmanın ilk bölümünde, türlerin spesifik büyüme hızları, IC50 değerleri (büyümeyi %50 oranında inhibe eden konsantrasyon) modifiye edilmiş Gompertz büyüme modeli ve Han ve Levenspiel'in inhibisyon kinetiği modeli kullanılarak hesaplanmış ve azot giderim verimliliklerini ölçülmüştür. Elde edilen bulgular, C. vulgaris ve A. platensis'in amonyak toksisitesine karşı en yüksek direnci gösterdiğini, IC50 değerlerinin sırasıyla 34,82 mg-FA/L ve 44,44 mg-FA/L olduğunu ortaya koymuştur. A. platensis, amonyak toksisitesine karşı daha yüksek direnç göstermesine rağmen, çalışma sırasında kullanılan pH değeri A. platensis için uygun aralıkta olmadığı için biyokütle üretimi miktarı C. vulgaris'e göre önemli ölçüde daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. Bu nedenle, test edilen türler arasında C. vulgaris, biyokütle üretimi ve azot giderim verimliliği açısından en başarılı tür olduğu bulunmuştur. Ayrıca, çalışmada C. minutissima ve C. reinhardtii'nin düşük amonyak konsantrasyonlarına tolerans gösterebildiği, ancak daha yüksek seviyelerde büyümelerinin önemli ölçüde inhibe olduğu ve bu durumun onları yüksek amonyak içeren ortamlardaki uygulamalar için daha az uygun hale getirdiği gösterilmiştir. Büyüme kinetiklerinin yanı sıra, azot giderim verimliliği, mikroalglerin atık su arıtımı için uygunluğunu değerlendirmede kritik bir parametredir. Çalışmada, her kültivasyon döngüsünün sonunda biyokütledeki azot içeriği ölçülmüş ve azot giderim oranları hesaplanmıştır. C. vulgaris, yüksek amonyak koşullarında üstün büyümesiyle yakından ilişkili olarak en yüksek azot giderim verimliliğini göstermiştir. Bu da, C. vulgaris'i hem biyokütle üretimini hem de atık sudan besin geri kazanımını iyileştirmeye yönelik daha fazla tür optimizasyonu için güçlü bir aday haline getirmektedir. Çalışmanın ikinci aşamasında, C. vulgaris'in amonyak toleransını artırılmaya çalışılmıştır. Mikroalg türlerinin genetik olarak iyileştirilmesi, ekonomik olarak uygulanabilir biyoproseslerin geliştirilmesi için kritik öneme sahiptir. Yabanıl tip türler belirli bir direnç seviyesi sunsa da, mutajenez kullanımı, üstün performans gösteren türlerin seçilmesine olanak tanır. C. vulgaris'te mutasyon indüklemek için iyi bilinen bir kimyasal mutajen olan etil metansülfonat (EMS) kullanılmıştır. Üstel büyüme fazında yaklaşık 3.2 × 10⁶ hücre, 1 saat boyunca 25 mM EMS'ye maruz bırakılarak mutajenez gerçekleştirilmiştir. Hayatta kalan hücreler, yabanıl tip suş için belirlenen IC50 değerine yakın bir konsantrasyon olan 500 mg-NH₄⁺/L içeren besi yerinde büyüme yetenekleri açısından taranmıştır. Mutajenez sonrası hayatta kalan hücreler mutant olarak adlandırılmıştır. Bu mutantlar yüksek amonyak içeren besi yerinde büyütülmüştür. 10 günlük büyüme sonrası en fazla büyüme gösteren 10 mutant incelenmek üzere seçilmiştir. Bu mutantlar, spesifik büyüme oranları, gecikme fazları ve genel biyokütle üretimini değerlendirmek amacıyla büyüme kinetiği çalışmalarına tabi tutulmuştur. Seçilen mutantlar arasında mutant-3, büyüme kinetiklerinde en büyük iyileşmeyi göstermiştir. Mutant-3, yabanıl tip suşa benzer miktarda biyokütle üretimi göstermesine rağmen, daha kısa bir gecikme fazına ve daha yüksek spesifik büyüme hızına sahip olması, mutant-3'ün amonyak toksisitesine karşı artan direnç gösterdiğini düşündürtmüştür. Ayrıca, mutant-3'ün daha yüksek azot giderim oranına ve daha yüksek azot içeriğine sahip olduğu da belirlenmiştir. Yabanıl tip suş ile mutantlar arasındaki gözlemlenen farkların istatistiksel anlamlılığını doğrulamak için t-testi kullanılarak istatistiksel analizler yapılmıştır. Sonuçlar, mutant-3 için büyüme ve azot giderimindeki iyileştirmelerin istatistiksel olarak anlamlı olup olmadığı ile ilgili karışık sonuçlar vermiştir. Mutant-3'ün daha kısa gecikme fazına sahip olduğu ve daha yüksek azot içerdiği istatistiki olarak söylenebilecekken, diğer büyüme ve azot giderim kinetiği değerleri için bunu söylemek mümkün değildir. Buna rağmen elde edilen sonuçlar, yüksek amonyak konsantrasyonlarına sahip atık su arıtma sistemlerindeki uygulamalar için mutant-3'ün üstün bir aday olma potansiyelini ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma, test edilen dört tür arasında yüksek amonyak içeren sistemler için en uygun türün C. vulgaris olduğunu göstermektedir. Rastgele mutajenez yoluyla geliştirilen mutant-3'ün besin geri kazanımı, biyokütle üretimi ve atık su arıtımı gibi uygulamalarda potansiyeli olduğu düşünülmektedir. Çalışmada ayrıca, büyüme koşullarını optimize etmenin ve yüksek amonyak konsantrasyonlarına sahip sistemlerde karşılaşılan zorlukların üstesinden gelmek için suş geliştirme stratejilerinin uygulanmalarının önemini vurgulanmaktadır. Gelecekteki araştırmalar, iyileştirilmiş suşun büyütülmesini ölçeklendirmeye ve performansını gerçek dünya koşullarında doğrulamak için pilot ölçekli biyoreaktörlere entegre etmeye odaklanabilir. Bu çalışmada, çevre koruma ve kaynak verimliliği gibi daha geniş hedeflere katkıda bulunarak mikroalglerin besin geri kazanımı ve atık su arıtımı için sürdürülebilir bir çözüm olarak potansiyeline dair değerli bilgiler sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Microalgae, a diverse group of photosynthetic microorganisms, are increasingly recognized for their potential as“green chemical factories”capable of converting sunlight, carbon dioxide, and nutrients into various valuable products such as carotenoids, long-chain polyunsaturated fatty acids, and biofuels. Due to their relatively simple structure and rapid growth, microalgae are considered a promising solution for producing bio-based products sustainably. However, the high costs associated with cultivating microalgae at scale remain a significant barrier, largely driven by the expensive nutrient inputs required for growth. One approach to overcoming this limitation is utilizing nutrient-rich wastewater as a culture medium, which offers dual benefits: providing a low-cost source of nutrients and enabling wastewater treatment. Wastewater, especially from agricultural and industrial sources, is typically rich in ammonia, a nitrogen source preferred by microalgae. Ammonia is advantageous as it does not require energy-intensive reduction reactions within the cell, making it an ideal nitrogen source. However, at high concentrations, ammonia becomes toxic to many microalgal species, inhibiting growth and reducing the efficiency of biomass production. This toxicity presents a technical challenge in developing cost-effective algal wastewater treatment systems. Therefore, this study investigates the potential of microalgae strains that can tolerate high ammonia levels and explores strategies to enhance their performance through genetic modification. The study is divided into two main phases. The first phase focuses on evaluating the growth performance and nitrogen removal efficiency of four microalgae species: Chlorella vulgaris, Chlorella minutissima, Chlamydomonas reinhardtii, and Arthrospira platensis. These species were selected based on their reported resistance to high ammonia concentrations, growth capacity, and ability to produce valuable compounds. The study specifically investigates their response to varying ammonia concentrations ranging from 25 mg-NH₄⁺/L to 1000 mg-NH₄⁺/L under controlled conditions. The growth conditions, including temperature, pH, and light intensity, were carefully optimized to simulate those found in typical wastewater environments. The pH was maintained at 8.0, as it minimizes ammonia stripping and allows for consistent comparisons across species. In the first part of the study, the modified Gompertz growth model and the inhibition kinetics model of Han and Levenspiel were applied to evaluate the specific growth rates, IC50 values (the concentration that inhibits growth by 50%) and nitrogen removal efficiencies for each species. The findings revealed that C. vulgaris and A. platensis exhibited the highest resistance to ammonia toxicity, with IC50 values of 34.82 mg-FA/L and 44.44 mg-FA/L, respectively. Although A. platensis exhibits higher resistance to ammonia toxicity, its biomass production is significantly lower than that of C. vulgaris due to the pH value used in the study not falling within the optimal range for A. platensis. Therefore, among the tested species, C. vulgaris demonstrated the most promising overall performance in terms of biomass production and nitrogen removal efficiency. The study also demonstrated that while C. minutissima and C. reinhardtii could tolerate lower concentrations of ammonia, their growth was significantly inhibited at higher levels, making them less suitable for applications in high-ammonia environments. In addition to growth kinetics, nitrogen removal efficiency is a critical parameter in assessing the suitability of microalgae for wastewater treatment. The study measured the nitrogen content of biomass at the end of each cultivation cycle and calculated nitrogen removal rates. C. vulgaris demonstrated the highest nitrogen removal efficiency, which was closely correlated with its superior growth under high ammonia conditions. This makes C. vulgaris a strong candidate for further strain optimization aimed at improving both biomass production and nutrient recovery from wastewater. The second phase of the study focused on enhancing the ammonia tolerance of C. vulgaris through random mutagenesis. Genetic improvement of microalgae strains is crucial for developing economically viable bioprocesses. While wild-type strains offer some level of resilience, the use of mutagenesis allows for the selection of strains with superior performance. Ethyl methanesulfonate (EMS), a well-established chemical mutagen, was used to induce mutations in C. vulgaris. Approximately 3.2 × 10⁶ cells in the exponential growth phase were exposed to 25 mM EMS for one hour, resulting in approximately 87.8% cell mortality. Surviving cells were then screened for their ability to grow in media containing 500 mg-NH₄⁺/L, a concentration close to the IC50 value determined for the wild-type strain. Following mutagenesis, ten mutants were selected based on colony size and growth rates in high-ammonia media. These mutants were then subjected to growth kinetics studies to evaluate their specific growth rates, lag phases, and overall biomass production. Among the selected mutants, one strain, designated as mutant-3, exhibited the most significant improvement in growth kinetics. Although mutant-3 showed similar amount of biomass production compared to the wild-type strain, it had a short lag phase and higher specific growth rate, suggesting that mutant-3 showed increased resistance to ammonia toxicity. Furthermore, it was also determined that mutant-3 had higher nitrogen removal rate and higher nitrogen content in biomass. Statistical analyses, t-tests, were conducted to validate the significance of the observed differences between the wild-type and mutant strains. The results provided mixed findings regarding whether the improvements in growth and nitrogen removal for mutant-3 were statistically significant. While it can be statistically stated that mutant-3 has a shorter lag phase and higher nitrogen content in its biomass, the same cannot be said for the other growth and nitrogen removal kinetic values. Nevertheless, the findings highlight the potential of mutant-3 as a promising candidate for applications in wastewater treatment systems with high ammonia concentrations. In conclusion, the study demonstrates that C. vulgaris is the most suitable species among the four tested for high-ammonia wastewater treatment. The development of mutant-3 through random mutagenesis provides a pathway for further optimization of microalgae-based bioreactors, with potential applications in nutrient recovery, biomass production, and wastewater remediation. The study also highlights the importance of optimizing growth conditions and employing genetic improvement strategies to overcome the challenges associated with high ammonia concentrations in wastewater. Future research could focus on scaling up the cultivation of the improved strain and integrating it into pilot-scale bioreactors to validate its performance under real-world conditions. This research provides valuable insights into the potential of microalgae as a sustainable solution for nutrient recovery and wastewater treatment, contributing to the broader goals of environmental protection and resource efficiency.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    488175

    Mikroalgal büyümenin nitrat sensörüyle takibi

    Monitoring mi̇croalgal growth via nitrate sensor

    NİHAT ERDEM BALKANLI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM IŞILDAK

  2. Tez No

    850900

    Comparative evaluation of mycosporine-like amino acids producing psychrotolerant klebsormidium strains isolated from extreme regions (Antarctica, Arctic, Alpine, Alaska, Atacama)and film production from antarctic Klebsormidium sp. ASYA19

    Ekstrem bölgelerden (Antarktika, Arktik, Alpler, Alaska, Atacama) izole edilen psikrotolerant klebsormidium suşları tarafından üretilen mikosporin benzeri aminoasitlerin karşılaştırmalı değerlendirilmesi ve antarctic Klebsormidium sp.ASYA19'dan film üretimi

    BARIŞ BALLIK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Biyoteknolojiİstanbul Medeniyet Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURGAY ÇAKMAK

  3. Tez No

    658165

    Mikroyosun adezyonunun azaltılması için kompozit kaplamaların cam yüzeyler üzerinde test edilmesi

    Testing of composite coatings on glass surfaces for reducing adhesion of microalgea

    TUĞÇE ERVAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Çevre MühendisliğiÇanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ALİ KÜÇÜKER

    DOÇ. DR. UĞUR CENGİZ

  4. Tez No

    793867

    Design, synthesis and characterization of functional glass-ceramic coatings for anti-fouling surface applications

    Kirlenme önleyici yüzey uygulamaları için fonksiyonel cam-seramik kaplamaların tasarımı, sentezi ve karakterizasyonu

    SİNAN DALOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BUĞRA ÇİÇEK

  5. Tez No

    765847

    Kanatlı hayvan kesimhanesi biyolojik arıtma suyunda biyodizel üretimi için mikroalg kültürünün geliştirilmesi

    Development of microalgae culture in biologically treated poultry slaughterhouse wastewater for production of biodiesel

    GAMZE KATIRCIOĞLU SINMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Çevre MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL AYHAN ŞENGİL

Geri Dön