Phytoplankton Biyokütlesi Ve Üretimi ÖZET

Erzincan Üniversitesi AquaClub Su Ürünleri Araştırma ve Geliştirme Bilim Kulübü
Kemaliye 5.Geleneksel Su Ürünleri Bilimsel ve Kültürel Platformu (Ulusal)
31 Mayıs-1 Haziran 2008, Erzincan, Kemaliye
Phytoplankton Biyokütlesi Ve Üretimi
Ediz SARIIŞIK1*, Halil DUZCU1, Barış BOYLU1
Molecular Biology & Genetics, METU. e-posta: [email protected]
ÖZET
Phytoplanktonlar genellikle tek hücreli alg türlerini içerir ve okyanus sularındaki besin zincirinin en
temel basamağını oluştururlar. Klorofil pigmentleri yardımıyla kullandıkları güneş enerjisi yardımıyla
nitrojen, fosfor ve demir gibi mineralleri sudan alarak, fotosentez mekanizmasıyla bunları organik
maddelere çevirirler.Picoplankton (3 µm’den küçük çaplı organizmalar)’lar okyanuslardaki baskın
türleri oluştururlar. Picoplankton türlerinde ökaryot ve prokaryot olmak üzere iki çeşit tek hücreli canlı
bulunmaktadır. Bunlardan prokaryot grubundan iki tanesi cyanobacteria grubundandır:
Synechococcus and Prochlorococcus. Synechococcus 1 µm çapındadır. Kutup suları dışında bütün
denizlerde bu organizmalara rastlanır. Prochlorococcus ise fotosentez yapabilen en küçük canlı
türüdür (sadece 0,6 µm çap) ve denizlerde en çok rastlanan organizmalardır. Bu organizmalar
büyümeleri sırasında kullandıkları mineraller için sıkıntı yaşarlarsa fotosentez yavaşlar ve üretilen
biyokütle miktarı da azalır. Bu organizmaların ticari olarak üretilmeleri fotobiyoreaktörlerde ve açık
havuzlarda yapılabilmektedir. Mineral konsantrasyonları, ışık yoğunluğu gibi faktörler değiştireler
organizmaların büyüme hızı ayarlanabilir.
Anahtar kelimeler: Phytoplankton, Biyokütle, Fotosentez, Fotobiyoreaktör.
Phytoplankton Biomass And Production
Ediz SARIIŞIK1*, Halil DUZCU1, Barış BOYLU1
Molecular Biology & Genetics, METU. e-posta: [email protected]
ABSTRACT
Phytoplankton mainly consist of unicellular algae, and form the basis of the food chain in the ocean
waters. They absorb mineral elements such as nitrogen, phosphorus and iron and transform these
materials into organic matter using the light energy received by the chlorophyll they contain via a
process of photosynthesis.In temperate waters, picoplankton (organisms measuring <3 µm) are the
predominant type of phytoplankton. The cells of which picoplankton consist are of two main types:
eucaryotic cells (cells with a nucleus) and procaryotic cells (cells with no nucleus). The 2 procaryotic
genera which exist among picoplankton are both cyanobacteria: Synechococcus
andProchlorococcus. Synechococcus measure £1 µm. They are to be found in the oceans all over
the world apart from the polar waters. Prochlorococcus are the smallest organisms able to carry out
photosynthesis(they measure only 0,6 µm) as well as being the most numerous.Phytoplankton feed
on mineral elements such as nitrogen, phosphorus and iron, which they use to convert light energy
into organic material via a process of photosynthesis. Any shortage of mineral elements will
decrease the photosynthesis, and hence the algal biomass produced.
The conditions of
phytoplankton production can be adjusted through the needs of organism. This can be easy with
using photobioreactor since it is a closed system with adjustable mineral contents and light intensity.
There are some designed photobioreactors for this purpose.
Keywords: Phytoplankton, Biomass, Photosynthesis, Photobioreactor.
Erzincan Üniversitesi AquaClub Su Ürünleri Araştırma ve Geliştirme Bilim Kulübü
Kemaliye 5.Geleneksel Su Ürünleri Bilimsel ve Kültürel Platformu (Ulusal)
31 Mayıs-1 Haziran 2008, Erzincan, Kemaliye
Giriş
Phytoplanktonlar genellikle tek hücreli alg türlerini içerir ve okyanus sularındaki besin zincirinin en
temel basamağını oluştururlar. Klorofil pigmentleri yardımıyla kullandıkları güneş enerjisi yardımıyla
nitrojen, fosfor ve demir gibi mineralleri sudan alarak, fotosentez mekanizmasıyla bunları organik
maddelere çevirirler.
Picoplanktonlar(3 µm’den küçük çaplı organizmalar) ılıman okyanus sularında yaşayan baskın türleri
içerirler. Picoplankton türlerinde ökaryot ve prokaryot olmak üzere iki çeşit tek hücreli canlı
bulunmaktadır. Bunlardan prokaryot grubundan iki tanesi cyanobacteria grubundandır:
Synechococcus and Prochlorococcus.
Prochlorococcus
Bu organizma 0,5 – 0,7 µm çapıyla yaşayan en küçük fotosentez yapabilen canlıdır. 40 kuzey 40 güney enlemleri arasındaki okyanuslarda her yerde 100 m – 200 m derinlikleri arasında yüksek
yoğunlukta bulunmasıyla Prochlorococcus okyanuslarda en fazla sayıda bulunan fotosentetik
canlıdır. (Fig 1)
Fig 1:
Prochlorococcus Chl a2 and Chl b2 adında iki pigmente sahiptir. Klorofil A ve Klorofil B türevi bu
pigmentler bu cinse özeldir. Bu canlının fotosentez elemanlarının bir diğer ilginç özelliği de, ne
yüksek bitkilerde ne de yeşil alglerde bulunan bir ışık yakalama kompleksine sahip olmasıdır.
Yapılan çalışmalarda bazı sujlarında picoeritrinin bir çeşit türüne az miktarda rastlanmıştır. (Goericke,
1992)
Prochlorococcus denizlerde ışımanın değişik oranlarda olduğu bölgelerde fotosentetik aktivitesini
sürdürebilmektedir. Bu özelliğini fotosentez sisteminde farklı ve çeşitli pigmentler içermesine
borçludur. Yani yoğun ışımanın olduğu yüzey sularında ve 3 kat daha az ışımanın olduğu derinlikte
büyüme gerçekleştirebilir. Yeni yapılan çalışmalarda değişik Prochlorococcus türlerinin değişik
ortamlara uyum sağlamış anten sistemleri bulundurdukları tespit edilmiştir. (Partensky, 1999)
Prochlorococcus çok küçük bir organizma olduğu için yüzey hacim oranı yüksektir. Bu
Prochlorococcus’a yaşam alanında az bulunan Nitrojen bileşiklerini verimli bir şekilde almasına
avantaj teşkil eder.
Mevcut Kültürler ve İzolasyon Metotları
Bu organizma ilk olarak Mayıs 1988 tarihinde Palenik tarafından Atlas okyanusu Sargasso
bölgesinde 120 metre derinlikten alınan örneklerden izole edilmiştir. Günümüzde Akdeniz dahil
olmak üzere birçok bölgeden izole edilmiş Prochlorococcus türleri mevcuttur. İzollasyon sırasında
Erzincan Üniversitesi AquaClub Su Ürünleri Araştırma ve Geliştirme Bilim Kulübü
Kemaliye 5.Geleneksel Su Ürünleri Bilimsel ve Kültürel Platformu (Ulusal)
31 Mayıs-1 Haziran 2008, Erzincan, Kemaliye
kullanılan yöntemler genellikle benzerdir. Örnekler toplandıktan sonra “trace metal cleaning”
yöntemiyle işleme konulmuş, 0,6 nm lik deliklere sahip filtrelerde süzüldükten sonra fosfat, nitrojen
ve trace metal stok çözeltilerinde zenginleştirilmektedir. “Flow cytometric” metotlar kullanılarak
yapılan izolasyon metotları mevcuttur.(Fitzwater, 1992)
Uygun Büyüme Koşulları
Üre, β-glycerophosphate, minumum trace metal karışımı, 100 mM CPTC (cis,cis,cis,cis-1,2,3,4cyclopentanetetracarboxylic ve bir chelator maddesi(EDTA) kullanılarak Prochlorococcus’un
büyümesine uygun ortamı elde etmek mümkündür. (Tablo 1) Aynı zamanda deniz suyundan elde
edilmiş bir ortama sadece inorganik katkı maddeleri ekleyerek büyümesi için uygun ortam
sağlanabilir. (Crisholm, 1992)
Bu güne kadar katı besiyerde organizma başarıyla büyümemiştir. Bunun için genetik olarak
manipülasyonu mümkün değildir.
Tablo 1: Prochlorococcus’un büyümesi için uygun ortam
(Partensky et al, 1999)
Fotobiyoreaktörlerde Phytoplankton Üretimi
Fotobiyoreaktörler güneş enerjisiyle fotosentez yapan organizmalar için büyüme ortamı sağlayan
kontrol edilebilir kültür ortamları oluşturan aletlerdir. Kullanılan organizmanın cinsine göre ışık
Erzincan Üniversitesi AquaClub Su Ürünleri Araştırma ve Geliştirme Bilim Kulübü
Kemaliye 5.Geleneksel Su Ürünleri Bilimsel ve Kültürel Platformu (Ulusal)
31 Mayıs-1 Haziran 2008, Erzincan, Kemaliye
hassasiyetleri ve kullanabildikleri CO2, nitrat, fosfor kaynaklarının derişimi değişik olabildiğinden
üretimde fotobiyoreaktörleri kullanmak bize büyük avantaj sağlamaktadır. Aşağıda resmini
gördüğünüz fotbiyoreaktör Brezilya Patos Lagon’dan izole edilmiş bir cyonabacteria olan
Aphanothece microscopica N ageli için dizayn edilmiştir. Genel olarak kullanılan fotobiyoreaktörlerin
işleyiş sistemleri benzerdir.
Fig 2:
Bu sistem 3.0 L litrelik bir hazneye sahip olup, Hazne sentetik BGN ortamıyla hazırlanmıştır. BGN
mediumun kompozisyonu şöyledir: K2HPO4·3H2O (0.040 g L-1), MgSO4·7H2O (0.075 g L-1), EDTA
(0.001 g L-1), H3BO3 (2.860 g L-1), MnCl2·4H2O, (1.810 g L-1), ZnSO4·7H2O (0.222 g L-1),
Na2MoO4·2H2O, (0.390 g L-1), CuSO4·5H2O (0.079 g L-1), CaCl2·6H2O (0.040 g L-1), NaNO3
(150 g L-1) C6H8O7·H2O(0.006 g L-1), amonyum ve demir citrat (0.006 g L-1), pH 8.0. ortamın ısısı
25 C, 1 klux ışık şiddeti ve 12 saatlik ışık periyotları kullanılmıştır. Sistemde sürekli hava
sirkülasyonu filtrelenmiş hava ve saf CO2‘yle yapılmaktadır. Değişik sayıda 20W’lık floransan
lambaları kullanarak istenen ışık şiddeti ayarlanabilmektedir.
Yapılan denemelerde bulunan uygun koşullarda 100 saatlik bir sürede 2500mg/l’lik hücre derişimine
erişmek mümkün olmuştur. Tabi bu reaktör deneysel amaçlı olarak dizayn edildiği için büyük kütlerler
elde etmek için pek uygun değildir. Daha büyük hazneler kullanarak ve daha hızlı büyüyen
mikroorganizmalar kullanıldığında çok daha büyük üretimlere ulaşmak mümkün olacaktır (Jakob
lopes-2007).
Açık havuzlarda güneş ışığı kullanarak phytoplankton biyokütlesi mümkün olsa da bu yöntemin bir
takım eksiklikleri vardır. İlk önce bu sistemlerde mikroorganizmaların büyüme koşullarını tam olarak
destekleyecek uygun koşulları yaratmak kolay değildir. Ve açık havuzlarda kontaminasyon riski çok
yüksek olacağı için, istenen mikroorganizmanın tek başına büyütülmesi pek mümkün olmamaktadır.
Rekabet oranı çok daha fazla olmaktadır. Fakat aynı zamanda açık sistemlerin avantajı daha ucuz
olması ve güneş ışığının kullanılmasıyla daha geniş alanlarda üretim yapamaya elverişli olmasıdır.
Bu avantajları birleştiren kapalı bir sitem olan “Yassı Panel Fotobiyoreaktörü” bu açıdan daha
kullanışlı olabilir. Güneş ışığının geliş açısına göre yerleştirilebilen bu sistemlerde güneş ışığını
verimli bir şekilde kullanmak mümkündür.
Erzincan Üniversitesi AquaClub Su Ürünleri Araştırma ve Geliştirme Bilim Kulübü
Kemaliye 5.Geleneksel Su Ürünleri Bilimsel ve Kültürel Platformu (Ulusal)
31 Mayıs-1 Haziran 2008, Erzincan, Kemaliye
Aşağıda son yıllarda tasarlanan bir Yassı panel fotobiyoreaktörünün şematik betimlemesini
görebilirsiniz.(Fig 3)
Fig 3:
A) İskelet yapısı
B) Havalandırma sistemi, ısı değişimi
sistemi, ortam girşi ve ürün çıkışı şematik
çizimi
Bu cihaz iki 0,07 m aralıkla yerleştirilmiş
iki metal plaka arasına yerleştirilmiş
kullanıldıktan sonra atılabilen u şeklinde
bir plastik çuval şeklinde tasarlanmış.
Cihazın iskeleti ve plastik çuval 1,5 m
yüksekliğinde ve 2,25 m genişliğinde,
toplam hacmi 250 L ye ulaşmaktadır. Bu
hacmiyle ve kolay kullanılabilir özelliğiyle
ticari olarak phytoplankton üretmeye
elverişli bir sistemdir.
(Sierra, 2007)
Sonuç
Dünyada besin olarak kullanımı gün geçtikçe artan phytoplankton biyokütlesi okyanuslarda besin
zincirinin ilk basamağını oluşturmaktadır. Phytoplanktonlar doğal ortamlarının dışında küçük, kapalı
ve steril bir alanda üretilebilir. İstenildiği takdirde güneş ışığı kullanarak açık havuzlarda veya yine
photobiyokreaktörler kullanılarak üretim yapmak mümkündür. Bu organizmaların doğal ortamında
ulaşmakta sıkıntı yaşadıkları az bulunan mineraller sağlandığı takdirde yüksek miktarda ve hızlı
üremeleri sağlanabilir.
Erzincan Üniversitesi AquaClub Su Ürünleri Araştırma ve Geliştirme Bilim Kulübü
Kemaliye 5.Geleneksel Su Ürünleri Bilimsel ve Kültürel Platformu (Ulusal)
31 Mayıs-1 Haziran 2008, Erzincan, Kemaliye
KAYNAKLAR
Partensky F., Hess W. R. and Vaulot D., 1999. Prochlorococcus, a Marine Photosynthetic
Prokaryote
of Global Significance, March, Review.
Goericke, R., and D. J. Repeta. 1992. The pigments of Prochlorococcus marinus: the presence of
divinyl chlorophyll a and b in a marine prochlorophyte.
Partensky, F., J. Blanchot, and D. Vaulot. 1999. Differential distribution and ecology of
Prochlorococcus and Synechococcus in oceanic waters,: a review.
Fitzwater, S. E., G. A. Knauer, and J. H. Martin. 1982. Metal contamination and its effect on primary
production measurements.
Frankel S. W., S. L., R. Goericke, R. J. Olson, B. Palenik, J. B. Waterbury, L. and Zettler E. R. 1992.
West-Johnsrud,..Prochlorococcus marinus nov. gen. nov. sp.: an oxyphototrophic
marine prokaryote containing divinyl chlorophyll a and b. Chisholm,
Eduardo J., Lucy M.C.F.L., Telma T. F., 2007. Biomass production and carbon dioxide fixation by
Aphanothece microscopica N¨ageli in a bubble column photobioreactor, 18 November.
Sierra E., Aci´en F.G., Fern´andez J.M., Garc´ýa J.L., Gonz´alez C., Molina E., 2007.
Characterization
of a flat plate photobioreactor for the production of microalgae, 6 June.