Tuza Dayanıklı Bakteriler Atık Çamur ile Beslenerek Biyobozunur Plastikler Yapıyor

Fotoğraf-1: Kanalizasyon çamuru ile beslenen Zobellella denitrifikan (ZD₁) bakterileri, biyolojik olarak bozunan biyoplastikler üretir: Poli (3-hidroksibütirat)

Texas A&M araştırmacıları, mangrovların tuzlu bataklıklarında bulunan bir bakteri suşunu kullanarak, kanalizasyon çamurundan ve atık sudan biyoplastik üretmek için düşük maliyetli, sürdürülebilir bir yöntem buldular.

Fotoğraf-2: Mangrov, tropikal bölgelerde gelgit sonucu oluşan haliçlerde, tuzlu bataklıklar ve çamurlu kıyılarda bulunan, sık  ağaç ve çalı türlerinin oluşturdukları bir orman türüdür(1,2).

Kanalizasyon çamuru önemli bir çevre sorunudur. Amerika Birleşik Devletleri, her yıl 2500 Olimpik yüzme havuzunu doldurmaya yetecek kadar, yedi milyon ton, kanalizasyon çamuru üretiyor. Bu atığın bir kısmı gübre ve diğer arazi uygulamaları için yeniden değerlendirilirken, önemli bir kısmı ise hala çöp sahalarına atılmaktadır. Yeni bir çalışmada, Texas A&M Üniversitesi araştırmacıları, biyobozunur plastikler yapmak için atık çamuru kullanmanın etkili bir yolunu keşfettiler.

American Chemical Society (ACS) Omega dergisinin Eylül sayısında araştırmacılar, mangrovlarda bulunan Zobellella denitrifikan ZD1 bakterisinin çamur ve atık su tüketerek, polihidroksibütirat (PHB) üretebildiğini rapor ettiler. Polihidroksibutirat, yapısı ve fiziksel özellikleri polipropilene benzeyen, ancak yenilenebilir ve biyolojik olarak parçalanabilir bir polimerdir (3). Bu nedenle, petrokimyasallardan türetilen ve biyolojik olarak parçalanamayan, polipropilen gibi sentetik termoplastiklere karşı umut vaat eden bir alternatiftir (4). Araştırmacılar, Zobellella denitrifikan ZD1‘ in, çöp sahaları ve çevre üzerindeki yükü azaltmaya ilaveten, biyoplastik üretiminde girdi maliyetlerini düşürmek için de bir yol sunduğunu söylüyorlar. “Bu keşif, petrol bazlı plastiklere karşı daha rekabetçi biyoplastikler üretmeye yönelik bir adımdır.”

Fotoğraf-3: Bir polihidroksialkanoat olan, poli-(R)-3-hidroksibütirat(3).

Zachry İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü’nde profesör olan Kung-Hui (Bella) Chu, diyor ki: “Biyopolimer üreten bakterileri yetiştirmek için kullanılan hammaddelerin fiyatı, biyoplastik üretiminin toplam üretim maliyetinin % 25-45’ini oluşturuyor. Daha ucuz ve kolayca elde edilebilen alternatif bir kaynaktan faydalanabilirsek, elbette bu maliyet büyük ölçüde azaltılabilir. Biz biyobozunur plastikler yapmak için evsel, endüstriyel ve tarımsal atıklardan elde edilen aktif çamurları  bakteri üretiminde kullanmanın potansiyel bir yolunu gösteriyoruz (4). Ayrıca, bu bakteri suşu, diğer mikroplardan kontaminasyonu önlemek için ayrıntılı sterilizasyon işlemleri gerektirmiyor, bu da biyoplastiklerin işletim ve üretim maliyetlerini düşürüyor.”

Fotoğraf-4: Polihidroksibütirat  granüller (5).

Polihidroksibutirat, yeni ortaya çıkan bir biyoplastik sınıfıdır. Ortamda besin dengesizliği olduğunda bu maddeyi üreten birçok bakteri türü vardır. Bu polimer, hayvanlardaki yağ depolarına benzer şekilde, bakterinin tamamlayıcı enerji rezervleri olarak rol oynar. Özellikle, karbon kaynaklarının bol olması ve de azot, fosfor veya oksijenin azalması, bakterilerin karbon kaynaklarını düzensiz bir şekilde tüketmesine ve stres tepkisi olarak polihidroksibütirat üretmesine neden olur.

Bakterileri polihidroksibütirat yapmaya zorlayabilen bu tür bir ortam, biyodizel üretiminin bir yan ürünü olan ham gliseroldür. Ham gliserol, karbon açısından zengindir ve hiç nitrojen içermez, bu da onu biyoplastik üretimi için uygun bir hammadde yapar. Bununla birlikte, ham gliserol, bakteri büyümesini engelleyebilen yağ asitleri, tuzlar ve metanol gibi safsızlıklar içerir. Ham gliserol gibi, atık sudan çıkan çamurda da birçok benzeri safsızlıklar, yağ asitleri ve tuzlar bulunur. Chu, bu yağ asitlerinin bakteri büyümesi ve dolayısıyla polihidroksibutirat üretimi üzerindeki etkilerinin bu çalışmadan önce incelenmemiş olduğunu söylüyor.

Chu, “Polihidroksibutirat yapan çok sayıda bakteri türü var, ancak yüksek tuzlu ortamlarda çok azı hayatta kalabilir, ve bu suşların arasında daha da azı saf gliserolden polihidroksibutirat üretebilir” diyor. “Biz, bu tuza toleranslı türlerin ham gliserol ve atık suda da üreyip üreyemeyeceğini inceledik.”

Fotoğraf-5: Polarize optik mikroskop ile gözlemlenen polimerik PHB kristalleri (3).

Zobellella denitrifikan ZD₁ bakterilerinin doğal yaşam alanı mangrovların tuzlu sularıdır. Bu nedenle Chu ve ekibi, çalışmaları için, Zobellella denitrifikan ZD₁‘ i seçtiler. Ekip, bu bakterinin saf gliserolde polihidroksibutirat üretme kabiliyetini test etti. Daha sonra, aynı deneyleri polihidroksibutirat üreticileri olarak bilinen diğer bakteri türleri ile de tekrarladılar. Zobellella denitrifikan ZD₁’ in saf gliserol içinde iyi gelişebildiğini ve susuz ağırlığı ile orantılı olarak maksimum miktarda polihidroksibütirat ürettiğini buldular.

Daha sonra ekip, Zobellella denitrifikan ZD1‘ in, tuz ve yağ asitleri içeren ham gliserol içerisinde gelişimini ve polihidroksibutirat üretme yeteneğini test etti. Bu koşullarda bile, ZD₁‘ in polihidroksibutiratı verimli bir şekilde ürettiğini buldular. Yüksek mukavemetli sentetik atık su ve atık suyla aktive edilmiş çamur örneklerinde deneyleri tekrarladıklarında, bakterilerin, ham gliseroldekinden daha düşük miktarlarda olmasına rağmen, yine de polihidroksibutirat yapabildiğini gördüler.

Fotoğraf-6: Çamur ve atık su tüketebilen, tuza dayanıklı Zobellella denitrifikan ZD1 bakterilerinin çevre dostu biyobozunur bir biyoplastik olan PHB üretim süreci (4)

Chu, Zobellella denitrifikan ZD1’in tuzlu ortamlara toleransından yararlanılarak, normalde diğer bakteri türleriyle çalışırken kullanılan pahalı sterilizasyon işlemlerine gerek kalmayacağını söyleyerek bu çalışmanın sonuçlarını şöyle açıklıyor:

“Zobellella denitrifikan ZD1’in tuzluluk için doğal tercihi harika, çünkü biz, eğer gerekirse, sadece geleneksel tuzlar ekleyerek atığın kimyasal bileşimini değiştirebiliriz. Bu ortam diğer bakteri türleri için ise zehirli olacaktır. Biz bu çalışma ile, biyoplastik üretimi için steril olmayan, ucuz, sürdürülebilir bir yöntemi ve de bertarafı çok fazla maliyet gerektiren biyoatıkları yeniden tasarlamanın bir yolunu sunuyoruz.”

 Kaynak: scitechdaily.com

1. Cuba Considers Mangroves to Fend off Rising Sea Level (claimsjournal.com)
2. Mangrov – Vikipedi (wikipedia.org)
3. Polihidroksibütirat – Polyhydroxybutyrate – qaz.wiki
4. From Organic Wastes to Bioplastics: Feasibility of Nonsterile Poly(3-hydroxybutyrate) Production by Zobellella denitrificansZD1 by Fahad Asiri, Chih-Hung Chen, Myung Hwangbo, Yiru Shao and Kung-Hui Chu, 17 September 2020, American Chemical Society Omega.
   DOI: 10.1021/acsomega.9b04002
5. % 100 Biyobozunur Polihidroksibütirat PHB Resimler ve Resimler (chemicaladditive.com)