Phytoplankton Biyokütlesi Ve Üretimi Ediz SARIIŞIK 1*, Halil DUZCU 1, Barış BOYLU 1 Molecular Biology & Genetics, METU. e-posta: esariisik@yahoo.co.uk 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 SARIIŞIK 1*, Halil DUZCU 1, Barış BOYLU 1 Molecular Biology & Genetics, METU. e-posta: esariisik@yahoo.co.uk 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.
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
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-1,2,3,4- cyclopentanetetracarboxylic 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
hassasiyetleri ve kullanabildikleri CO 2, 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 CO 2 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.
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.
KAYNAKLAR Erzincan Üniversitesi AquaClub Su Ürünleri Araştırma ve Geliştirme Bilim Kulübü 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.