10. Hafta (1) - Mikrobiyal Ekoloji Ders Notları PDF

Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Dersin Adı: FMB2...

Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Dersin Adı: FMB215- Mikrobiyal Ekoloji Dersin Hocası: Dr. Öğr. Üyesi Mehmet Akif ÖMEROĞLU  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Plastikler Plastikler ksenobiyotiklerin klasik örnekleri olup plastik endüstrisi dünya çapında her yıl 40 milyon tonun üzerinde plastik üretmektedir ve bunun yaklaşık yarısı geri dönüşümden ziyade çevreye atılır. Plastikler kimyasal çeşitlikleri olan polimerlerdir. Birçok plastik aslında çöp atık alanlarında, atık yığınlarında ve çevredeki döküntülerde uzun zaman dilimleri boyunca değişmeden kalırlar. Bu problem bazı sentetik plastiklerin yerine geçen mikrobiyal plastikler denilen biyoparçalanabilir alternatifler için araştırmayı kamçılamaktadır. 2  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Polihidroksialkanoatlar (PHAlar) yaygın bir bakteriyal depo polimeridir ve bu kolay şekilde biyoparçalanır polimerler ksenobiyotik plastiklerin birçok istenen özelliklerine sahiptirler. PHA’lar her biri eşsiz fiziksel özellikleri (gerginlik, kopma ve darbe dayanıklılığı ve benzeri) ile çeşitli kimyasal formlarda biyosentezleri yapılabilmektedir. Eşit miktarlarda poli-β-hidrok-sibutirat ve poli-β-hidroksivaleratı içeren bir PHA kopolimeri kişisel bakım ürünleri için bir taşıyıcı olarak Avrupa'da satılmakta olup şimdiye kadar plastik yerine konulan en yüksek satış başarısı olan bileşik olmuştur. Ancak, günümüzde daha az fiyatları olduğu için petrol-tabanlı plastikler bugün hemen hemen tamamıyla tüm plastik pazarını oluşturmaktadır. 3 Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics 4  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Ralstonia eutropha bakterisi PHAların ticari üretimi amacıyla bir model organizma olarak kullanılmaktadır. Genetik olarak işlenebilir ve metabolik olarak çeşitliliği olan bu bakteri yüksek verimde PHAları üretir ve spesifik kopolimerler basit besinsel modifikasyonlar yolu ile elde edilebilmektedir. Bütün bunlara rağmen, mikrobiyal plastik endüstrisi PHA biyosentezi için en iyi substratın glukoz ve mısır veya diğer ürünlerden elde edilen substratlar olduğu gerçeği ile karşı karşıyadır. Böylelikle petrolün günümüz fiyatlarında bile, bitki ürünleri plastik endüstrisi için besin stokları olarak petrol ile rekabet edememektedir. 5  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Atıksu ve içme Suyu Arıtımı Su enfeksiyon hastalıklarının en önemli yaygın potansiyel kaynağı olup kimyasal olarak oluşan intoksikasyonlar içinde potansiyel bir kaynaktır. Bunun nedeni tek bir su kaynağının sıklıkla örneğin büyük şehirlerdeki geniş kitlelerde kullanıma sunulmasıdır. Bu şehirlerde herkes ulaşılabilir su kaynağını kullanmak zorundadır ve kontamine olmuş su tüm kullanıcılara hastalığı yayma potansiyeline sahiptir. Benzer olarak, atıksuyun uygun bir arıtımı çevresel kaliteyi devam ettirme için ve hastalığın yayılımını düşürdüğü için esastır. 6  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Primer ve Sekonder Atıksu Arıtımı Atık su, halk sağlığı, ekonomik ve çevresel koşullar nedeniyle göllere ve akarsulara deşarj edilemeyen evsel kanalizasyon suyu ya da sıvı endüstriyel atıktır. Atık su arıtımı, fiziksel ve kimyasal yöntemlerle birlikte mikroorganizmaların endüstriyel ölçekte kullanılmasını içerir. Atıksu ve kanalizasyon suyu arıtımında endüstriyel ölçekte biyodönüşüm için mikroorganizmaların geniş bir ölçekte kullanımı gerekir. Atıksuyun bir arıtma tesisine girip arıtılmasından sonra oluşan çıkış suyu, (atıksu arıtma tesisinden deşarj edilen arıtılmış atıksu), göl ve akarsu gibi yüzey sularına ya da içme suyu arıtma tesislerine bırakılması uygundur. 7 Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics 8  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Atıksu ve Kanalizasyon suyu Evsel kanalizasyon suyundan ya da endüstriyel kaynaklardan gelen atıksu göllere ya da akarsulara arıtılmamış şekilde deşarj edilemez. Kanalizasyon suyu insan veya hayvan fekal materyalleri ile kontamine haldeki atıksudur. Atıksu yaygın şekilde potansiyel olarak zararlı inorganik ve organik birleşikleri aynı zamanda patojenik mikroorganizmaları içerebilmektedir. Atıksu arıtımı kontaminantları uzaklaştırmak ya da etkisizleştirmek için fiziksel, kimyasal ve biyolojik (mikrobiyolojik) işlemleri kullanabilir. 9  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Ortalama olarak, Birleşik Devletler'de her bir kişi hijyenik, içme, pişirme ve yıkama ihtiyaçları için günde 100-200 gallon su kullanır. Bu aktiviteler sonucunda oluşan atıksu daha sonra yüzey sularına bırakılınadan önce kontaminantları uzaklaştırmak için arıtılmalıdır. Yaklaşık 16000 kamuya ait arıtma tesisi (publicly owned treatment Works (POTW)) Birleşik Devletler'de işletilmektedir. Birçok POTW oldukça küçüktür ve günde atıksuyun 1 milyon galon (3-8 milyon litre) ya da daha azını işlemektedirler. Toplamda, maalesef bu tesisler günlük olarak atıksuyun yaklaşık 32 milyon galonunu arıtmaktadır. Atıksu arıtma tesisleri genellikle hem evsel hem de endüstriyel atıkları antmak için inşa edilmiştir. Evsel atıksu; kanalizasyon suyu, "gri su" (yıkama, banyo ve pişirmeden gelen su) ve evlerdeki ve restoranlardaki küçük ölçekli gıda işletmesinden gelen atıksudan ibarettir. 10  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Endüstriyel atıksu; petrokimyasallardan, pestisitlerden, gıda ve süt, süt ürünleri farmasötik ve metalurji endüstrilerinden deşarj edilen sıvıları içerir. Endüstriyel atıksu toksik maddeleri içerebilir; U.S. Environmental Protection Agency (EPA), toksik ya da aşırı derecede kirli deşarjların POTW'lere gitmeden önce bazı imalat ve işleme tesislerinde ön arıtımını gerekli görmektedir. Ön arıtım basit anlamda, atıksu arıtma tesisinde malzemeyi tıkayan kalıntıların uzaklaştırıldığı mekanik yöntemleri içerebilir. Siyanür gibi yüksek derecede toksik maddeleri, arsenik, kurşun ve civa gibi ağır metalleri, akrilamid, atrezin (bir herbisit) ve benzen gibi organik materyalleri uzaklaştırmak için biyolojik ya da kimyasal olarak bazı atıksuların ön arıtımı yapılır. Bu maddeler bu atıkları nötralize edebilen, okside edebilen, çökeltebilen veya gaz haline dönüştürebilen mikroorganizmalar veya kimyasallar vasıtası ile arıtımı sonucunda daha az toksik formlara dönüştürülür. 11  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Atıksu Antımı ve Biyokimyasal Oksijen ihtiyacı Bir atıksu arıtım tesisinin amacı atıksudaki organik ve inorganik materyalleri mikrobiyal büyümeyi artık desteklemeyecek seviyeye azaltmak ve diğer potansiyel toksik materyalleri ortadan kaldırmaktır. Arıtımda etkinlik biyokimyasal oksijen ihtiyacında (BOİ) azalma olarak ifade edilir. BOİ, bir su örneğinde bütün organik ve inorganik maddenin tamamen mikroorganizmalar tarafından okside edilmesi için alınan nisbi çözünmüş oksijen miktarıdır. Atıksuda organik ve inorganik materyalIerin yüksek düzeyleri yüksek BOİ ile sonuçlanır. 12  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Kanalizasyon suyu içeren evsel atıksu için tipik değerler yaklaşık olarak 200 BOİ birimidir. Örneğin, süt ve süt ürünleri fabrikaları gibi kaynaklardan gelen endüstriyel atıksu değerleri 1500 BOİ birim kadar yüksek olabilir. Etkin bir atıksu arıtma tesisi, arıtım tesisinden çıkan suyun BOİ değerini 5 BOİ değerinden daha az seviyeye azaltabilir. Atıksu tesisleri hem düşük BOİ'li kanalizasyon suyunu hem de yüksek BOİ'li endüstriyel atıkları arıtmak için dizayn edilirler. Arıtım, fiziksel ve biyolojik birçok bağımsız işlemleri kullanan çok basamaklı bir operasyondur. Primer, sekonder ve bazen tersiyer arıtımlar, atıksudaki fekal ve kimyasal kontaminasyonu azaltmak için kullanılır ve arıtımın her bir seviyesi çok daha karmaşık teknolojileri kullanır. 13  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Primer Atıksu Antımı Primer Atıksu antımı atıksudan katı ve organik ve inorganik maddeleri ayırmak için sadece fiziksel ayırma yöntemlerini kullanılır. Arıtma tesisine giren atıksu, büyük nesneleri uzaklaştıran bir seri ızgara ve eleklerden geçirilir. Çıkan su birkaç saat dinlenmeye bırakılır. Katı maddeler ayırma rezervuarının dibine çöker ve çıkan suyu deşarj etmek için veya daha ileri arıtmalar için boşaltılır. 14  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Sadece primer arıtım yapan belediyeler, yüksek BOİ'li aşırı derecede kirlenmiş suyu yakın su kanallarına deşarj ederler; suda kalan yüksek seviyede çözünen ve askıdaki organik madde ve diğer besinler primer arıtımı takiben suda sıkıntı yaratırlar. Bu besinler istenmeyen mikrobiyal büyümeyi artırabilir, daha fazlası su kalitesini düşürebilir. Birçok arıtma tesisi doğal su yollarına salınmadan önce atık suyun organik içeriğini sekonder hatta tersiyer arıtımdan geçirir. Sekonder arıtma süreçleri atıksudaki organik besinleri daha fazla azaltmak için hem aerobik hem de anaerobik mikrobiyal sindirimi kullanır. 15 Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics 16  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Sekonder Anaerobik Atıksu Arıtımı Sekonder Anaerobik Atıksu Arıtımı, anoksik koşullar altında çeşitli prokaryotlar tarafından yürütülen sindirim ve fermentasyon reaksiyonlar serilerini içerir. Anaerobik arıtım, tipik olarak yiyecek ve süt, süt ürünleri işleme tesislerinden gelen fazla miktarda fiber ve selüloz atığı gibi (bu yüzden çok yüksek BOİ'ye sahip olan) çözünmeyen organik madde içeren atıksuyu arıtmak için kullanılır. Anaerobik parçalama süreci çamur sindiriciler ya da biyoreaktörler diye adlandırılan, geniş kapalı tanklarda yürütülür. Süreç, birçok farklı tipte mikroorganizmanın toplu şekilde aktivitesini gerektirir. 17  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics İlk olarak, anaeroblar askıdaki katı maddeleri ve büyük makromolekülleri çözünebilen bileşenlere sindirebilmek için polisakkaridaz, proteaz ve lipazları kullanır. Bu çözünebilir bileşenler daha sonra yağ asitleri, hidrojen (H 2) ve karbondioksitin (C02) bir karışımını elde etmek için fermente edilir. Yağ asitleri sintrofik bakterilerin beraber faaliyetleri sayesinde asetat, C02 ve H2 üretmek için ileri fermentasyona uğratılır. Bu ürünler daha sonra anoksik lağım arıtmanın ana ürünleri olan metan (CH4) ve C02 üretmek için asetatı fermente eden metanojenik Archaea tarafından substrat olarak kullanılır. CH4 yakılabilir ya da atık su arıtma tesisinde ısı ve enerji amacıyla yakıt olarak kullanılır. 18 Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics 19  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Sekonder Aerobik Atıksu Arıtımı Sekonder aerobik atıksu arıtımı, düşük seviyede atık organik madde içeren suyu arıtmak için aerobik şartlarda mikroorganizmalar tarafından yürütülen parçalayıcı oksidatif reaksiyonları kullanır. Genelde, yerleşik kaynaklardan gelen atıksu sadece aerobik arıtma ile etkili bir şekilde arıtılabilir. Birkaç çeşit aerobik parçalama işlemleri atıksu arıtımı için kullanılabilmektedir, aktif çamur yöntemleri en yaygın olanlarıdır. Burada atık su büyük tanklarda devamlı olarak karıştırılır ve havalandırılır. Zoogloea ramigera ve diğerlerinin de dahil olduğu ve cıvık materyal (slime) oluşturan aerobik bakteriler büyürler ve flok adı verilen birleşmiş (aggregated) kütleler oluştururlar. 20  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Atıksu normal olarak bir aktif çamur tankında 5 saatten 10 saate kadar, tüm organik maddenin tam oksidasyonu için çok kısa bir zaman kalır. Buna rağmen bu zaman boyunca çözünür organik maddenin çoğu floğa absorbe olur ve mikrobiyal hücreler tarafından alınır. Çıkan sıvı atığın BOİ'si gelen atık suya kıyasla oldukça düşürülmüştür (%95'e kadar); yüksek BOİ'li materyalin büyük kısmı çökmüş yığınların içindedir. Artık yığınlar C02 ve CH4 dönüşümü için anoksik tortu sindiriciye transfer edilebilir. 21  Fen Fakültesi - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Faculty of Science – Department of Molecular Biology and Genetics Birçok arıtma tesisi, olası biyolojik kontaminasyonların ileri azaltımı için sekonder arıtım sonrasında çıkış suyunu klorlar. Arıtılmış atık su artık göllere ve akarsulara verilebilir. Birleşik Devletlerin doğusunda, birçok atık su tesisi çıkış suyunun dezenfeksiyonu için UV radyasyonu kullanılır. Etkili bir virusit ve bakterisit olan ozon (03) güçlü bir okside edici ajan olup, ayrıca Birleşik Devletler'deki bazı arıtma tesislerinde atık su dezenfeksiyonu içinde kullanılmaktadır. 22