Geri Dön

Sürdürülebilir ve güvenli tarım için siyanobakteri toksinlerinin elektrokimyasal biyosensörlerle tayini

Detection of cyanobacterial toxins using electrochemical biosensors for sustainable and safe agriculture

  1. Tez No: 956073
  2. Yazar: ECE KESİCİ MEÇO
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ECE ÜNÜR YILMAZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyokimya, Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Biochemistry, Bioengineering, Biotechnology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 126

Özet

Günümüzde artan çevresel kirlilik ve iklim değişikliğinin etkileri, su kaynaklarında siyanobakterilerin çoğalmasını tetiklemektedir. Bu artış, silindrospermopsin (CYN) ve saksitoksin (STX) gibi tehlikeli siyanotoksinlerin birikimine yol açmaktadır. Karaciğer ve sinir sistemi üzerinde ciddi toksik etkilere sahip olan bu bileşikler, yüzey sularında birikerek insan sağlığı ve çevre için önemli bir risk oluşturmaktadır. Bu tez kapsamında, kalem grafit elektrot (PGE) temelli elektrokimyasal biyosensörler geliştirilmiş; sularda bulunan siyanotoksinler yüksek hassasiyetle tayin edilmiş ve bu sayede çevre sağlığına duyarlı, sürdürülebilir tarım uygulamalarına katkı sağlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, PGE yüzeyine immobilize edilen çift sarmallı DNA ile CYN ve STX etkileşimi elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ile analiz edilmiştir. Optimize edilen PGE/DNA sistemi, CYN ve STX için sırasıyla 0,12 ng mL⁻¹ ve 0,043 ng mL⁻¹ tespit sınırlarına ulaşmıştır. FTIR, UV-Vis ve XPS analizleri ile siyanotoksinlerin DNA üzerindeki genotoksik etkisi detaylı bir şekilde incelenmiştir. CYN'nin seçimli tayinine yönelik olarak geliştirilen dört farklı biyosensör sisteminden birincisi, PGE yüzeyine CYN'ye özgü aptamerin (cynApt) immobilize edilmesiyle oluşturulmuştur. Bu sistemde EIS yöntemiyle deiyonize suda 0,78 ng mL⁻¹, göl suyunda ise 0,97 ng mL⁻¹ tayin sınırına ulaşmıştır. Sensör, okadaik asit ve saksitoksin gibi benzer toksinlerin varlığında da yüksek seçimlilik göstermiştir. İkinci sistemde, PGE yüzeyi iletkenliği artırmak amacıyla poli(3,4-etilendioksitiyofen):polistiren sülfonat (PEDOT:PSS) ile modifiye edilmiş, ardından cynApt immobilize edilmiştir. PGE ve PGE/PEDOT:PSS elektrotların elektrokimyasal karakterizasyonu döngülü voltametri (CV) yöntemiyle gerçekleştirilmiş olup mikroskobik karakterizasyonu taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Bu sensör, diferansiyel puls voltametrisi (DPV) ile analiz edilmiş ve CYN için 0,16 ng mL⁻¹ (deiyonize su) ve 0,23 ng mL⁻¹ (göl suyu) tayin sınırlarına ulaşmıştır. PEDOT:PSS modifikasyonu, yüzey alanını ve elektron transfer kapasitesini artırarak en düşük tayin sınırına ulaşan yapı olmuştur. Üçüncü sensör sisteminde, PGE yüzeyine poli(3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT) ile elektropolimerizasyon yöntemiyle kaplanmış ve üzerine cynApt immobilize edilmiştir. Elektrokimyasal karakterizasyon CV ve EIS, mikroskobik karakterizasyon ise SEM ile gerçekleştirilmiştir. CV yöntemiyle gerçekleştirilen analizlerde 0,23 ng mL⁻¹ (deiyonize su) ve 0,27 ng mL⁻¹ (göl suyu) tayin sınırlarına ulaşmıştır. PEDOT, yüzey homojenliği ve iletkenliği ile istikrarlı sonuçlar vermiştir. Son olarak, dördüncü sensör sisteminde polipirol (PPy) ile elektropolimerizasyon yöntemiyle kaplanan PGE yüzeyine cynApt immobilize edilmiştir. Elektrokimyasal karakterizasyon CV ve EIS, mikroskobik karakterizasyon ise SEM ile gerçekleştirilmiştir. EIS tekniğiyle analiz edilen bu sistem, 0,18 ng mL⁻¹ (deiyonize su) ve 0,24 ng mL⁻¹ (göl suyu) değerleriyle PEDOT:PSS ile rekabetçi bir sonuç vermiştir. Tez kapsamında, CYN ve STX'in DNA üzerine etkisinin elektrokimyasal olarak aydınlatılmış, ayrıca CYN'nin hızlı, güvenilir ve yüksek hassasiyetle tespiti için elektrokimyasal biyosensör platformları geliştirilmiştir. Geliştirilen biyosensörler, düşük maliyetli, tek kullanımlık olmalarının yanı sıra göl suyu gibi çevresel örneklerde ppb düzeyinde CYN tayinine olanak tanımaktadır. PGE üzerinde iletken polimer/aptamer kombinasyonlarıyla siyanotoksin tayini gerçekleştirilerek, su kalitesinin izlenmesi için yenilikçi, güvenilir, etkili ve uygulanabilir alternatifler sunulmaktadır.

Özet (Çeviri)

Increasing environmental pollution and the impacts of climate change have triggered cyanobacterial blooms in water sources, leading to the accumulation of hazardous cyanotoxins such as cylindrospermopsin (CYN) and saxitoxin (STX). These compounds exert severe toxic effects on the liver and nervous system, posing significant risks to human health and the environment through their accumulation in surface waters. This thesis focuses on the development of electrochemical biosensors based on pencil graphite electrodes (PGE) for the highly sensitive detection of cyanotoxins in water, thereby contributing to environmentally conscious and sustainable agricultural practices. In the first phase, the interactions between double-stranded DNA immobilized on the PGE surface and CYN and STX were investigated via electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The optimized PGE/DNA system achieved detection limits of 0.12 ng mL⁻¹ and 0.043 ng mL⁻¹ for CYN and STX, respectively. The genotoxic effects of cyanotoxins on DNA were further characterized in detail using FTIR, UV–Vis, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). For the selective detection of CYN, four different biosensor platforms were developed. The first system involved immobilizing a CYN-specific aptamer (cynApt) onto the PGE surface, reaching detection limits of 0.78 ng mL⁻¹ in deionized water and 0.97 ng mL⁻¹ in lake water by EIS. This sensor exhibited high selectivity even in the presence of structurally similar toxins such as okadaic acid and saxitoxin. In the second system, the PGE surface was modified with poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) to enhance conductivity, followed by cynApt immobilization. Electrochemical characterization of PGE and PGE/PEDOT:PSS electrodes was conducted via cyclic voltammetry (CV), while surface morphology was examined using scanning electron microscopy (SEM). Differential pulse voltammetry (DPV) analysis of this sensor yielded detection limits of 0.16 ng mL⁻¹ (deionized water) and 0.23 ng mL⁻¹ (lake water). The PEDOT:PSS modification effectively increased the surface area and electron transfer capability, resulting in the lowest detection limits among the developed sensors. The third system was constructed by electropolymerizing poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) onto the PGE surface and immobilizing cynApt thereon. Electrochemical (CV and EIS) and microscopic (SEM) characterizations confirmed the sensor's performance, achieving detection limits of 0.23 ng mL⁻¹ (deionized water) and 0.27 ng mL⁻¹ (lake water) via CV. The PEDOT-modified electrode provided stable and reproducible results due to its homogeneous surface and enhanced conductivity. Finally, the fourth biosensor system involved electropolymerizing polypyrrole (PPy) onto the PGE surface, followed by cynApt immobilization. Characterizations by CV, EIS, and SEM demonstrated that this sensor exhibited competitive detection limits of 0.18 ng mL⁻¹ (deionized water) and 0.24 ng mL⁻¹ (lake water) via EIS. Overall, this thesis elucidates the electrochemical interactions of CYN and STX with DNA and develops highly sensitive, rapid, and reliable electrochemical biosensor platforms for CYN detection. The developed biosensors, characterized by low cost and disposability, enable ppb-level detection in environmental samples such as lake water. The use of conductive polymer/aptamer combinations on PGE surfaces provides innovative, reliable, and practical alternatives for water quality monitoring.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    743810

    Integrated wastewater management for sustainable agriculture operations using cyanobacteria

    Sürdürülebilir hayvancılık ve tarım sistemleri için siyanobakteriler ile entegre atık su yönetimi

    DİLA HOCAOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    BiyoteknolojiBoğaziçi Üniversitesi

    Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BERAT ZEKİ HAZNEDAROĞLU

  2. Tez No

    712188

    Yapay zekâ desteği ile mikro sigortalama sistemi için blok zinciri uygulaması

    Blockchain application with artificial intelligence support for micro insurance system

    ARZU KİLİTCİ CALAYIR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Üniversitesi

    Enformatik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELİM YAZICI

  3. Tez No

    944899

    Cystoseira barbata extracts as biostimulants in soilless culture

    Topraksız tarımda biyostimülantlar olarak cystoseira barbata özütleri

    HANDE MUTLU DURAK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    BiyoteknolojiGebze Teknik Üniversitesi

    Disiplinlerarası Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BAHAR YILDIZ KUTMAN

  4. Tez No

    926365

    Producers direct sale spaces for sustainable urban agriculture: the case of Kadiköy Municipality farmers market

    Sürdürülebilir kentsel tarim için üreticilerin doğrudan satiş alanlari: Kadiköy Belediyesi çiftçi pazari örneği

    NİHAN ORAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Peyzaj MimarlığıYeditepe Üniversitesi

    Kentsel Tasarım Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BENGİ KORGAVUŞ

  5. Tez No

    830209

    Urban agriculture site selection in Beylikduzu, İstanbul

    İstanbul Beylikdüzü'nde kentsel tarım alan seçimi

    AYŞE BURCU KISACIK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURGAY KEREM KORAMAZ

Geri Dön