Atık su ortamında yetiştirilen Scenedesmus aequicaudatus alginin biyokimyasal ve biyolojik aktivitelerinin belirlenmesi

Çeşitli atıksular (evsel, endüstriyel ve tarım kaynaklı) ve substratlar (süt atıkları, peynir ve şeker fabrikalarının atıkları), mevcut su rezervlerini korumak ve kullanılan kimyasalların maliyetini minimuma düşürmek için alg yetiştiriciliğinin yapıldığı ortamlar olarak kullanılmaktadır. Alg yetiştiriciliği ile biyokütle elde edilmesi için temel ihtiyaçlar; yüksek miktarda enerji, su ile karbondioksit, makro ve mikro besin tuzları şeklinde sıralanabilmektedir. Algal biyokütle üretiminden ekonomik fayda sağlanabilmesi için, üretim sürecinde kullanılan girdilerin düşük maliyetli olması ve elde edilmesi hedeflenen ham maddenin ticari ölçekte uygun fiyatla üretilebilmesi gerekmektedir. Mikroalg biyokütlesi üretiminde kullanılan yönteme bağlı olarak maliyetin kilogram başına yaklaşık 20 ila 200 dolar arasında değiştiği tahmin edilmektedir. Bu nedenle, son yıllarda gerçekleştirilen araştırmalarda besin tuzu maliyetlerini düşürmek amacıyla; belediye, endüstriyel ve tarımsal atıksular gibi uygun ve düşük maliyetli kaynaklar alternatif besin tuzu kaynağı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Atık sudaki besin tuzları algler tarafından kullanıldığından dolayı atık suyun temizlenmesi de sağlanarak çevresel sürdürülebilirlik arttırılmış olacaktır. Endüstrinin türüne bağlı olarak ortaya çıkan atıksular; mineraller, uçucu organik bileşikler, yağ ve gresler, ağır metaller ile pestisitler gibi çeşitli kirletici maddeleri içerebilmektedir. Ayrıca, endüstriyel ve kanalizasyon kaynaklı atıksular genellikle besin tuzları bakımından oldukça zengindir. Bu kirleticilerin doğada birikmesi ve çevreye salınması hem tatlı su hem de denizel ekosistemler üzerinde ciddi olumsuz etkiler yaratabilmektedir. Öte yandan, atıksulardaki besin tuzları mikroalgler için bir besin kaynağı işlevi görerek, hücrelerinde biyokimyasal bileşenlerin sentezlenmesini mümkün kılmaktadır. Atıksu temelli alg üretimi, enerji açısından sürdürülebilir bir yaklaşım sunarken; ekonomik değeri yüksek ürünlerin elde edilmesi, çevresel geri kazanım ve kirlilik kontrolü gibi pek çok avantajı da beraberinde getirmektedir. Bu entegre yaklaşım, yalnızca ekonomik ve çevresel sürdürülebilirliği desteklemekle kalmaz, aynı zamanda atık yönetimi politikalarına katkı sağlayarak çevre kirliliğinin azaltılmasına da yardımcı olur. Atıksuların bu şekilde değerlendirilmesi, geleneksel arıtma yöntemlerine kıyasla daha düşük maliyetli ve çevre dostu bir alternatif sunar. Ayrıca mikroalgler bazı ağır metalleri ve toksik bileşikleri bünyelerine alarak ortamdan uzaklaştırabilme yetenekleri sayesinde biyoremediasyon potansiyeli de taşımaktadır. Bu yönüyle mikroalg temelli üretim sistemleri hem atıkların bertarafı hem de değerli ürünlerin kazanımı açısından çift yönlü bir fayda sunmaktadır. Ayrıca son yapılan çalışmalar, atıksu ortamında yetiştirilen mikroalglerin lipid, protein ve karbohidrat içeriklerinin optimize edilerek biyoyakıt, hayvan yemi ve biyoplastik gibi farklı alanlarda kullanılabileceğini göstermektedir. Böylece bu sistemlerin sadece çevresel değil, aynı zamanda ticari potansiyeli de ön plana çıkmaktadır. Gelecekte, mikroalg temelli üretim teknolojilerinin daha da geliştirilmesiyle, atıksuların değerlendirilmesine yönelik uygulamaların yaygınlaşması beklenmektedir. Yapmış olduğumuz bu çalışmada alg üretim maaliyetini minimuma indirmek ve çevresel sürdürülebilirliği arttırmak adına atıksu destekli alg üretimine odaklanılmıştır. Yeryüzünde çeşitli mikroalg türleri kullanılarak biyokimyasal içerikleri, biyolojik aktiviteleri ve biyodizel üretim potansiyelleri üzerine araştırmalar yapıldığı görülmektedir. Yapmış olduğumuz bu çalışmada, daha önce üzerinde yapılmış hiçbir çalışma bulunmayan Scenedesmus aequicaudatus algi, Sapanca Gölü'nden izole edilmiştir ve Sakarya ili sınırları içerisinde yer alan Karaman Atıksu Arıtma Tesisi'nden alınan atıksu ile hazırlanan kültür ortamında büyüme ve gelişme parametreleri araştırılmıştır. Toplanan atıksu örnekleri Whatman filtre kağıdı kullanılarak filtrelendikten sonra 121°C, 20 dakika otoklavlanarak steril edilmiştir. Daha sonra adi süzgeç kağıdından geçirilip 100 litrelik su deposunda homojen olarak karıştırılmıştır. 10 günlük ölçümlere başlamadan önce standart metodlar kullanılarak inorganik besin giderimini tespit etmek üzere başlangıç kimyasal analizleri (NO2-N, NO3-N, PO4-P) yapılmıştır. %100 BG11, 80 BG11- %20 Atıksu, %60 BG11- %40 Atıksu, %40 BG11- %60 Atıksu ve %20 BG11- %80 Atıksu ve %100 Atıksu olacak şekilde 6 farklı kültür ortamı kullanılmıştır. Hazırlanan kültür ortamları sıcaklık: 25±1°C, aydınlatma: 93 μmol foton m-2 s-1, ışık periyodu: 12 saat aydınlık: 12 saat karanlık olacak şekilde büyüme kabininde inkübe edilmiştir. Çalışmada kontrol grubu olarak %100 BG11 ortamı kullanılmıştır. Scenedesmus aequicaudatus alginin gelişim parametreleri (OD680, kl-a, pH); %100 BG11, 80 BG11- %20 Atıksu, %60 BG11- %40 Atıksu, %40 BG11- %60 Atıksu ve %20 BG11- %80 Atıksu ve %100 Atıksu ortamlarında 10 gün boyunca takip edilmiştir. Günlük ölçümler tamamlandıktan sonra başlangıç kimyasal analizleriyle karşılaştırmak için final kimyasal analizleri yapılmıştır. 10. günde elde edilen kuru biyokütleden toplam protein, toplam karbohidrat, klorofil-a (kl-a), klorofil-b (kl-b), toplam karotenoid değerleri tespit edilmiştir. Bunun yanında ekstraksiyon yöntemiyle hazırlanan etanolik ekstraktlardan toplam fenolik madde, 1,1-difenil-2-pikrilhidrazin (DPPH) radikali süpürme aktivitesi ve antibakteriyel aktivite tespit edilmiştir. Ayrıca lipid ekstraksiyonu yapılarak toplam lipid ve yağ asit içeriği tespit edilerek bu algin biyodizel potansiyeli araştırılmıştır. Başlangıç ve final kimyasal analizleri laboratuvar ortamında standart yöntemlerle gerçekleştirilmiştir (APHA, 2012). OD680 değerleri 10 gün boyunca spektrofotometrik ölçümlerle tespit edilmiştir. Aynı şekilde kl-a değerleri de 10 gün boyunca spektrofotometre kullanılarak elde edilmiştir. pH değerleri ise 10 gün boyunca masaüstü pH metre kullanılarak (HI 2211pH-HANNA) belirlenmiştir. 6 farklı kültür ortamında yetiştirilen Scenedesmus aequicaudatus alginin toplam protein değerleri Bradford (1976) yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Toplam karbohidrat değerleri belirlenirken Fenol-Sülfürik Asit Yöntemi kullanılmıştır (Kochert, 1975). Toplam pigment değerleri (kl-a, kl-b ve toplam karotenoid) ise Tavakoli ve diğerlerine (2021) göre spektrofotometrik yöntemlerle tespit edilmiştir. Toplam fenolik madde miktarı, 1,1-difenil-2-pikrilhidrazin (DPPH) radikali süpürme aktivitesi ve antibakteriyel aktivite belirlenirken öncelikle ultrason destekli ekstraksiyon metodu uygulanmıştır. Ultrasonik banyodan geçirilen numuneler filtre kağıdı ile süzülerek katı partiküllerinden ayrılmıştır. Elde edilen sıvı numuneler döner buharlaştırıcıda 50 ºC'de vakum altında döndürülerek çözücü madde uzaklaştırılmıştır. Buharlaştırma işlemi sonrası elde edilen ekstratlar stok olarak (10 mg mL-1 konsantrasyonda) +4ºC'de saklanmıştır. Bu ekstraktlar kullanılarak yapılan toplam fenolik madde analizi Folin-Ciocalteu Yöntemi kullanılarak yapılmıştır. 1,1-difenil-2-pikrilhidrazin (DPPH) radikali süpürme aktivitesi Blois yöntemi (Blois, 1958) ile gerçekleştirilmiştir. Antibakteriyel aktivite ise disk difüzyon yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Altı farklı kültür ortamında yetiştirilen Scenedesmus aequicaudatus alglerinin büyüme parametrelerinde (OD680, kl-a ve pH) maksimum değerler sırasıyla %80 BG11-%20 Atıksu, %80 BG11-%20 Atıksu ve %60 BG11-%40 Atıksu (pH=11,61) ile %80 BG11- %20 Atıksu (pH=11,6) olarak tespit edilmiştir. 10 gün süren çalışmamızda, algler öncelikli azot kaynağı olarak amonyağı tercih ettikleri için nitrit ve nitrat konsantrasyonlarında deney süresine bağlı olarak hiçbir kültür ortamında giderim gözlemlenmemişken, en etkili PO4-P giderimi %100 Atıksu ortamında tespit edilmiştir. Kuru biyokütledeki pigment miktarlarındaki (kl-a, kl-b ve toplam karotenoid) en yüksek ve en düşük değerler kontrol grubundan (%100 BG11) sonra sırasıyla; %60 BG11-%40 Atıksu, %80 BG11-%20 Atıksu ve %40 BG11-%60 Atıksu şeklinde izlenmiştir. Atıksu ile belirli oranlarda seyreltilmiş kültür ortamlarında yetiştirilen alglerin en yüksek biyokütle miktarına %80 BG11-%20 Atıksu ortamında, toplam protein (%60 BG11-%40 Atıksu) ve toplam karbohidrat (%60 BG11-%40 Atıksu) yüzdelerine sahip olduğu belirlenmiştir. En yüksek DPPH süpürme etkisinin pH, kl-a, toplam protein ve toplam karbohidrat miktarı ile aynı olarak %60 BG11-%40 Atıksu ortamında olduğu tespit edilmiştir. Toplam fenolik miktarı karotenoid miktarıyla benzer olarak kontrol grubundan sonra en yüksek %40 BG11-%60 Atıksu ortamında gözlemlenmiştir. Setan sayısı, iyot değeri ve sabunlaşma miktarlarına bağlı olarak %60 BG11-%40 Atıksu ve %20 BG11-%80 Atıksu ortamlarından elde edilen biyokütlenin biyodizel potansiyelinin olduğu tespit edilmiştir. Farklı ortamlardaki biyokütlelerden hazırlanan etanolik ekstrakların çalışmada kullanılan test bakterileri üzerinde (Bacillus subtilis ATCC 6633, Staphylococcus aureus ATCC 29213, Enterococcus faecalis ATCC 29212, Salmonella typhimurium ATCC 14028, Escherichia coli ATCC 25922 ve Staphylococcus epidermidis ATCC 12228) antibakteriyel etkisinin olmadığı belirlenmiştir. Sonuç olarak bu çalışma, alg yetiştiriciliğinin yüksek maliyetlerini iyileştirme girişimlerinde atıksu ortamını standart besin ortamıyla destekleyerek alg üretimi alanında kullanılabilirliğini gösterilerek Sapanca Gölü'nden izole edilen bu türün biyokimyasal bileşenleri literatüre kazandırılmıştır. Özellikle S. aequicaudatus'un yağ asidi profili ve biyolojik aktiviteleri ilk kez belgelenmiştir. S. aequicaudatus alginin yenilebilir yağlar, protein ve nişasta gibi gıda ürünlerinin üretimi açısından önemli bir potansiyele sahip olduğu tespit edilmiştir.