Fotosentetik bakteri konsorsiyumu ile bütirik asit kullanarak polihidroskibütirat (PHB) üretimi

Biyo bazlı plastikler, petrol/fosil bazlı plastiklere alternatif bir seçenektir. Polihidroksibütirat (PHB) en umut verici biyopolimerler arasındadır. Bu tezde, yüksek miktarda PHB elde etmek için üç fotosentetik bakteriden oluşan bir konsorsiyum kullanıldı. Konsorsiyum, Cereibacter sphaeroides O.U.001 (DSM 5864), Rhodobacter capsulatus (DSM 1710) ve Rhodopseudomonas palustris'ten (DSM 127) oluşmaktadır. Biyopolimer üretimini sağlamak için fotosentetik bakterilere karbon kaynağı olarak bütirik asit (30 mM) ve azot kaynağı olarak ise amonyum klorür (NH4Cl, 2 mM) sağlandı. Ölüm evresine kadar optik yoğunluk ve pH ölçülerek bakteri üremesi gözlenmiştir. Gözlenen en yüksek optik yoğunluklar şunlardır; 3.18±0.03, 2.94±0.07, 2.97±0.03 ve 2.65±0.04, pH değerleri 9.81±0.01, 9.87±0.01, 9.93±0.01 ve 9.79±0.01, bu değerleri sırasıyla C. sphaeroides, R. palustris, R. capsulatus ve konsorsiyumda gözlemlenmiştir. Hücrelerdeki PHB granülleri Sudan siyahı ve Nil kırmızısı boyaları kullanılarak incelendi. Bakterilerde biriken PHB, solvent ekstraksiyon yöntemi kullanılarak ekstrakte edildi. Elde edilen kurutulmuş PHB miktarları 0,2208 g/L (konsorsiyum), 0,1427 g/L (C. sphaeroides), 0,1330 g/L (R. palustris) ve 0,0875 g/L (R. capsulatus) olmuştur. En yüksek PHB üç fotosentetik bakteriden oluşan konsorsiyumdan, en az PHB ise R. capsulatus'tan elde edilmiştir. Saflaştırılan PHB, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi (NMR) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) teknikleriyle karakterize edildi. NMR pikleri 1,20-1,25, 2,43-2,63 ve 5,20-5,28 ppm aralığında kaydedildi. Fonksiyonel gruplar FTIR'da 2976-2932, 1453, 1720-1719, 1379, 3437-3436 ve 1278-1275 cm-2 dalga boylarında gözlendi. FTIR analizinde, PHB fonksiyonel grupları C-H, CH2, C=O, CH3, O-H ve C-O olarak tanımlandı. İlgili PHB fonksiyonel grubu tanımlamak için bir referans veri tablosu kullanıldı. Çalışmanın sonuçları, fotosentetik bakterilerden oluşan konsorsiyumun, tek saf bakteri suşlarına kıyasla daha fazla PHB biyopolimeri biriktirdiğini gösterdi. Bu nedenle, konsorsiyumun veya karışık mikrobiyal kültürün kullanımının, daha çok mikrobiyal biyopolimer elde etmek ve hasat etmek için alternatif bir yol olduğu sonucuna varılabilir.

Bio-based plastics are an alternative replacement for petroleum/fossil-based plastics. Polyhydroxybutyrate (PHB) is among the most promising biopolymers. In this thesis, a consortium of three photosynthetic bacteria was utilized to obtain a large amount of PHB. The consortium was composed of Cereibacter sphaeroides O.U.001 (DSM 5864), Rhodobacter capsulatus (DSM 1710), and Rhodopseudomonas palustris (DSM 127). Butyric acid (30mM) was used to supply surplus carbon to photosynthetic bacteria and ammonium chloride (NH4Cl, 2mM) was used as a nitrogen source at a limited concentration required for biopolymer production. The growth of bacteria was observed by measuring the optical density (OD) and pH until the death phase. The highest optical densities observed are 3.18±0.03, 2.94±0.07, 2.97±0.03 and 2.65±0.04, pH values were 9.81±0.01, 9.87±0.01, 9.93±0.01 and 9.79±0.01 for C. sphaeroides, R. palustris, R. capsulatus and consortium, respectively. The PHB granules in the cells were examined using Sudan Black and Nile Red dyes. PHB accumulated in bacteria was extracted using solvent extraction method. The amount of dried PHB obtained were 0.2208g/L (consortium), 0.1427g/L (C. sphaeroides), 0.1330g/L (R. palustris) and 0.0875g/L (R. capsulatus). The highest PHB amount was observed in a consortium of three photosynthetic bacteria with the least amount of PHB extracted from R. capsulatus. The extracted PHB was characterized by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) techniques. NMR peaks were recorded within the range of 1.20-1.25, 2.43-2.63, and 5.20-5.28 ppm. The functional groups were observed at wavelength 2976-2932, 1453, 1720-1719, 1379, 3437-3436, and 1278-1275 cm-2 in FTIR. FTIR analysis identified PHB functional groups as C-H, CH2, C=O, CH3, O-H, and C-O. A reference data table was used to identify the corresponding PHB functional group. The implications of the study showed that a consortium of photosynthetic bacteria accumulated more PHB biopolymer as compared to single pure bacterial strains. Therefore, it can be concluded that the use of a consortium or mixed microbial culture is an alternative way to obtain and harvest larger amounts of microbial biopolymer.