Çevre b İyoteknoloj İsİ ders notlarieng.harran.edu.tr/moodle/moodledata/121/environmental... ·...

Çevre Biyoteknolojisi Ders Notları

Doç. Dr. Erkan ŞAHİNKAYA

1

ÇEVRE BİYOTEKNOLOJİSİ DERS NOTLARI


Harran Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü



2

BİYOKİMYA Mikroorganizmalar kimyasal maddeleri (organikler ve inorganikler) oksidasyon ve indirgenme ile son ürünlere dönüştürerek enerji elde ederler. Elde edilen enerjinin bir kısmını hücre biyosentezinde kullanır. Mikroorganizmalar oksidasyon ve indirgenme reaksiyonu ile enerji üretmek için kullandıkları kimyasallar bizim kirlilik olarak tanımladığımız maddelerdir. Mikrobiyal sistemler ile elde edilelecek çevresel faydalar aşağıdaki gibi sınırlandırılabilir;

• Alg büyümesini engellemek amacı ile N ve P giderimi

• Organik atıklardan metan üretimi

• Organik atıkları zararsız inorganiklere dönüştürme

• Toprak ve sudaki toksik organik bileşiklerin degradasyonu

Dolayısı ile mikroorganizmaların enerji üreten ve enerji kullanan reaksiyonlarının yani mikroorganizma biyokimyasının bilinmesi gerekmektedir. Enzimler bütün biyolojik reaksiyonları katalizler. ENZİMLER Enzimler organik katalizörler olup binlerce enerji üreten ve enerji harcayan (hücre sentezi) reaksiyonların hızlarını arttırmada kullanılır. Enzimler spesifik proteinlerdir ve hücreler (mikroorganizmalar) tarafından üretilir. Proteinler 20 aminoasit karışımından oluşan polimerlerdir. Enzimler büyük moleküler olup molekül ağırlıkları 10.0000 – 1.000.000 arasındadır (şekil 1.11). Enzimlerde aminoasit dizilim sırası enzimin yapısına karar verir (birincil yapı). Enzimlerin yapısına karar veren ikinci önemli yapı ise hidrojen bağları (aminoasitlerdeki) ve sülfür – sülfür bağları ile oluşan üç boyutlu yapılardır (ikincil yapı). Enzimlerin üçüncül yapısı ise proteinler kendi üzerine kıvrılarak hidrojen bağları ile bağlanır. Bu üçüncü yapı oldukça hassas olup kimyasal ve sıcaklık ile kolaylıkla kırılarak enzim denaturasyon sebep olurlar. Enzimlerin yapıları fiziksel koşullardan çok kolay etkilenir ve sıcaklık, pH ve enzime bağlanan kimyasallar yapılarını değiştirebilir. Enzimlerin iki önemli karakteristiği vardır;

• Spesifikliği (hangi reaksiyonu katalizlediği).

• Katalizlediği reaksiyon hızı.

Enzimlerin katalizledikleri reaksiyonlar sonucunda elektronlar ve enerji üretilir. Bu enerji diğer moleküllerin oksitlenmesinde ve hücre sentezinde kullanılır. Enzimler reaksiyon sonucu oluşan enerji miktarını arttırmazlar. Sadece enerji üretilmeyecek yollara (pathway) elektronların kaymasını engeller. Böylece kaynaktan elde edilecek enerji miktarı maksimum olur. Bir enzim molekülü saniyede 1.000 – 100.000 molekülü etkileyebilir. Ayrıca kendileri reaksiyon sürecinde tüketilmezler. Bu nedenle hücre her enzimden çok az miktarda ihtiyaç duyar. Bazı enzimler sadece protein yapıları nedeni ile reaksiyonları katalizlerken bazıları protein olmayan kısma ihtiyaç duyar. Eğer protein olmayan kısım bir metal ise buna kofaktör (cofactor) denir. Tablo 1.10 da metal kofaktörler ve katalizledikleri enzimatik reaksiyonlar



3

verilmiştir. Örneğin Fe: oxygenose, Cytochrome, Nitrogenases enzimleri için gerekli bir kofaktördür. Eğer enzimin aktif hale gelmesi için gerekli protein olmayan kısım bir organik ise buna koenzim (coenzyme) veya prosthetic gurup denir. Prosthetic guruplar bir enzime çok sıkı bağlanır ve bu bağlanma genellikle kalıcıdır. Koenzimler ise genellikle daha gevşek bağlanırlar ve bir koenzim farklı zamanlarda farklı enzimlere bağlanabilir. Koenzimler genellikle bir molekülden diğer moleküle küçük moleküllerin taşınmasında görev alır. Tablo 1.11’de önemli koenzimler ve katıldıkları reaksiyonlar verilmiştir. Koenzimler (vitamin) adı verilen düşük konsantrasyonlarda aktif kısım içerirler. Koenzimler için ihtiyaç duyulması durumunda vitaminler dışarıdan eklenebilir fakat hücre tarafından üretilmezler. Enzimler katalizledikleri reaksiyon veya dönüştürdükleri substrat sonuna –ase eki getirilerek isimlendirilir. Örneğin: dehydrogenase enzimi � Molekülden iki hidrojen ve iki elektron uzaklaştırır. Hydroxylase enzimi � iki elektron giderilir ve moleküle H2O’dan –OH gurubu ekler. Proteinase : Proteinlerin aminoasitlere hidrolizinde görev alır. Hydroleases: kompleks organikleri basit moleküllere dönüştüren enzim gurubu. Oksido – redüktaz: oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarında görev alarak hücre sentezi için gerekli enerji üretilir. Enerji oksidasyon, redüksiyon reaksiyonları ile üretilir. Burada bir ortam veya molekülden elektronlar transfer edilir. Elektron taşıyıcıları elektronları bir ortamdan diğerine transfer ederler. Bunun olması durumunda elektron kaynağına – primarıy elektron donor ve elektron alıcısında- terminal elektron acceptor denir. Örneğin; asetatın aerobik oksidasyonunda asettan elektron ve hidrojenler koparılır. Bu basamak kompleks enzimatik reaksiyonlar ve elektron taşıyıcılarıyla gerçekleşir. Cytochrome sistemiyle taşınan elektronlar nedeniyle üretilen enerji, enerji taşıyıcılarına aktarılır. Enerjinin alınmasından sonra, elektronlar moleküler oksijen ile birleşerek suya dönüşür. Bu durumda asetat elektron verici, oksijen terminal elektron alıcısıdır. CH3COOH + 2 H2O = 2 CO2 + 8 H+ + 8 e- 8 H+ + 8 e- + 4 NAD+ = 4 NADH + 4 H+ 4 NADH + 4 H+ + 2 O2 = 4 NAD+ + 4 H2O Hidrolitik (Hydrolytic) reaksiyonlar sonucu normal olarak çok az enerji üretirler ve hücre tarafından asıl enerji kaynağı olarak kullanılmaktadırlar. Fakat hidroliz yoluyla üretilen ara ürünler hücre sentezi ve enerji üretiminde kullanılırlar. Hidrolitik enzimler hücre dışı olabilirler ve exracellular veya exoenzyme olarak adlandırılırlar. Bu enzimler büyük molekülleri küçük moleküllere dönüştürerek hücre duvarından geçebilecek duruma getirirler. Hidroliz amacıyla kullanılan enzimler hücre içi (intracellular veya endoenzyme) de olabilir. Bu enzimler hücre içinde faaliyet gösterirler. Oxido-reductase enzimleri stoplazma membranı üzerinde bulunmakta olup hücre içi bir enzimdir. Bazı durumlarda bu enzim her iki taraftaki maddelerle reaksiyona girerler. Bazı enzimler hücre duvarında yer alıp hücre dışı ve hücre içi enzimler olarak görev yaparlar.



4

ENZİM REAKTİVİTESİ Bir enzimin bir substrata reaktivitesi spesifiklik ve kinetiği içerir. Konvensiyonel görüş ise; substrat veya onun bir kısmı enzimin aktif kısmına tam olarak uyarak anahtar-kilit görevi görür. Enzim bağlanmadan sonra substrata göre pozisyon olarak üç boyutlu enzim ile substrat birbirine “fit” eder. Koenzim, kofaktör yada kosubstratlar substarat ile birleşerek elektrostatik yada vibrational güçler nedteniyle aktivasyon enerjisi düşer ve reaksiyon gerçekleşir. Bazı enzimler çok spesifik olup, sadece belirli bir moleküle bağlanırken, bazıları çok fazla spesifik olmayıp bir grup moleküle bağlanabilir. Bu enzimlerde reaksiyon hızı bağlanan moleküle göre değişiklik gösterir. Bunun nedeni ise; her molekülün enzime farklı uyumu(fit)ndan kaynaklanmasıdır. Reaksiyon hızı ise substrat konsantrasyonuna bağlıdır. Teoriye göre enzim, substrat ile birleşerek ES kompleksi oluşturur. Bu kompleks daha sonra ayrılarak product ve enzim oluşur. K1

E + S ES K-1 K2 ES E + P K-2 E – ES = Toplam free (srebest) enzim ES oluşumu : (dES \ dt) = k1*(E-ES)*S E + P ‘den ES oluşumu ihmal edilebilir. ES’ den E ve P Üretimi (- dES \ dt) = k -1* ES + k2 * ES Steady state durumunda ES oluşum ve bozunma hızı eşittir. k1*(E-ES)*S = k -1* ES + k2 * ES S*(E-ES)\ES = (k -1 + k2) \ k1 = Km Michealis-Menten Katsayısı ES = (E-ES)*S \ Km (ES) * Km = ES - (ES)*S ES * (Km + S) = E*S ES = E*S \ (Km + S) Bizim amacımız ürün oluşum hızını bulmak olup, V= k2 * (ES) ile verilir. Bu durumda;



5

V = k2*E*S \ (Km + S) Eğer S >> Km ise; V = k2*E*S \ (Km + S) V = k2*E = Vm İhmal Buna göre; V = k2*E *S \ (Km + S) Vm V = Vm* S \ (Km + S) MİCHAELİS-MENTEN DENKLEMİ V = Vm\ 2 S = Km olur. Düşük Km Yüksek substrat afinitesine sahip olup Vm değerine düşük substrat konsantrasyonlarında ulaşılır. Sıcaklık ve pH değişimleri, enzimin ikincil ve üçüncül yapılarını değiştirerek enzim aktivitesini etkiler. Optimum pH ve sıcaklıktan sapmalar bakteri büyümesini etkilemesine benzer olarak enzim aktivitesini de etkiler. Optimum sıcaklığına erişinceye kadar sıcaklıktaki her 10 0C’ lik artış hızı iki katına çıkarır. Optimum sıcaklığa aşıldıktan sonra enzimler bozunur (denaturation) ve hız düşer. Bazı kimyasallar enzime bağlanarak hızlarını düşürürler. Bazı toksik maddeler atıksuda bulunursa kolay parçalanabilen organiklerin tüketilmesini etkiler. Bazı durumlarda toksik maddeler enzimi yok etmez ve toksik maddenin ortamdan alınması durumunda enzim tekrar aktif hale gelir. Reversible inhibasyon iki çeşittir. Competitive ve noncompetitive inhibisyon. Competitive inhibisyonda; inhibitör madde substrat ile benzer yapıya sahip olup enzim üzerindeki aktif bölge için substrat ile inhibitör yarışır. Örneğin; Trichloroethene (TCE), metan monooxygenase enzimindeki aktif bölge için ile yarışır ve metan oksidasyon hızı düşer. Eğer metan konsantrasyonu arttırılırsa hız tekrar yükselir. Çünkü TCE metan ile yerdeğiştirir. Competitive inhibasyon için verilen formül; V = (Vm*S) \ (S + Ks*(1 + I \ KI)) I : İnhibitör konsantrasyonu KI : Competitive inhibisyon katsayısı I konsantrasyonunun artması Ks’ in artması anlamına gelip hız azalacaktır. KI ne kadar düşükse I o kadar toksiktir. I V KI V



6

Non-competitive inhibsyonda ise kimyasal (I) metalik aktivatör ile kompleks oluşturur veya enzim üzerinde aktif bölge dışında bir bölgeye bağlanarak enzimin substrata olan reaktivitesini azaltır. Örneğin; demir gerektiren enzimlerde siyanür non-competitive inhibisyon yapar. Çünkü siyanür demir ile güçlü kompleks oluşturur. Ayrıca Cu (II), Mg (I) ve Ag (I) gibi metaller cysteine (proteinlerdeki bir aminoasit) lerde bulunan sülfihidril (-SH) grubuyla birleşerek enzimi etkiler. Substrat konsantrasyonunun artması inhibisyonu ortadan kaldırmaz. Denklem ise; V = Vm \ (Km + S) * 1\ (1 + I/KI) α V = (Vm \ α) \ (S + Km) Bir inhibisyonun competitive veya non-competitive olup olmadığına karar vermek için Km ve Vm değerlerine bakılır. Eğer I; Km’ i etkilerse competitive, Vm’ i etkilerse non-competitive inhibisyondur. ENZİM AKTİVASYONUNUN REGÜLASYONU Mikroorganizmalar yüzlerce enzim üretebilirler. Fakat her enzim her an üretilmez. Bu enerjinin boşuna kaybıdır. Dolayısıyla, gerektiği zamanda gerektiği kadar enzim üretilir ve üretilen enzim için ihtiyaç ortadan kalktığında enzim üretiminin durması gerekmektedir. Bu regülasyon enerjinin optimum kullanımı için gereklidir. Üretilen fazla enzim parçalanarak aminoasitlere dönüştürülür ve başka enzim yapımında veya hücre elemanı yapımında kullanılır. Böylece enerji boşa harcanmamış olur. ENERJİ KAZANIMI Mikroorganizmalar ve tüm yaşayan canlılar oksidasyon redüksiyon reaksiyonları sonucunda ortaya çıkan enerjiyi kullanırlar. Birincil (primary) elektron vericisinden kopartılan elektronlar, elektron taşıyıcıları ile son elektron alıcısına aktarılır. Elektron alıcısı indirgenir ve elektron taşıyıcı tekrar serbest hale geçer. Bu arada ortaya çıkan enerji, enerji taşıyıcılar yoluyla alınır. ELEKTRON VE ENERJİ TAŞIYICILAR Elektron taşıyıcılar ikiye ayrılır; hücre stoplazmasına serbestçe difüz edebilen enzimler ve stoplazma membranında enzime yapışık olanlar. Hücre içine difüz edebilen enzimlerden en önemli koenzimler nicotinamide – adenin dinücleotide (NAD+) ve NADP+

dir. NAD+ enerji üreten katabolik reaksiyonlarda görev alırken, NADP+

biyosentez (anabolik) reaksiyonlarda görev alır. Stoplazma membranında bulunan en önemli elektron taşıyıcılar NADH dehydrogenoses, flavoproteinler, stokrom ve quinon lerdir. Bir hücrede görev yapan elektron taşıyıcıları elektron alıcı ve vericilerdeki enerji seviyesine bağlıdır. NAD+ ve NADP+

için reaksiyonlar; NAD+ + 2 H+ + 2e- � NADH + H+ ∆Gº = 62 kj NADP+ 2 H+ + 2e- � NADPH + H+ ∆Gº = 62 kj NAD+ ve NADP+

bir molekülden iki elektron ve iki proton kopartarak indirgenmiş formlara dönüşür. Reaksiyonların serbest enerjisi pozitiftir. Bu, NADH üretebilmek için organik molekülden enerji alınması gerektiğini göstermektedir. Eğer O2 son elektron alıcısı ise



7

elektron olarak bırakılan enerji birçok elektron taşıyıcı zincirden geçerek oksijene aktarılır ve enerji üretilir. NADH + H+ � NAD+ + 2H+ + 2e- ∆Gº = - 62 kj ½ O2 + 2 H+ + 2e- � H2O ∆Gº = - 157 kj Net : NADH + H+ + ½ O2 � NAD+ + H2O ∆Gº = - 219 kj Dolayısı ile organik moleküllerden elektronlar yolu ile transfer edilen enerji diğer elektron taşıyıcılarına ve en sonunda da oksijene taşınır. Bu durumda her molekül NADH için – 219 kj enerji üretilir.

♣ Peki bu enerji nasıl tutulur?

Bu tutulma, elektron taşıyıcılar vasıtası ile taşınan enerjinin enerji taşıyıcılara aktarılmasıyla olur. En önemli enerji taşıyıcısı adenosine triphosphate (ATP) dir. Enerji bir elektron taşıyısından serbest bırakılırsa bu enerji bir fosfat molekülünü adenosine diphosphate’a eklemek için kullanılır. ADP + H3PO4 � ATP + H2O ∆Gº = 32 kj veya ADP + P � ATP ∆Gº = 32 kj Bir ATP molekülü sadece 32 kj enerji ile oluşturulabilmektedir. Fakat yukardaki örnekte gösterildiği gibi bir NADH molekülünden 210 kj enerji elde edilmektedir. Dolayısı ile teorik olarak bir NADH molekülünden yaklaşık 6 mol ATP üretilir. Fakat gerçekte bir NADH molekülünden 3 mol ATP üretilmektedir. Bunun nedeni ise reaksiyonlarda hiçbir zaman enerji % 100 verimle aktarılmaz ve gerçekte NADH’tan ATP üretiminde verim yaklaşık % 50 dir.

♣ Peki 1 mole NADH’dan anaerobik koşullarda kaç mol ATP üretilir? Farklı elektron alıcıları için serbest enerjiler hesap edilerek bu soru cevaplanabilir. NO3

- : NADH+ 2/5 NO3- + 7/5 H+ � NAD+ + 1/5 N2 + 6/5 N2O ∆Gº = - 206 kj

SO4- : NADH + ¼ SO4- + 11/8 H+ � NAD+ + 1/8 H2S + 1/8 HS- + H2O ∆Gº = - 20 kj

CO2 : NADH+ 1/4 CO2 + H+ � NAD+ + ¼ CH4 + ½ H2O ∆Gº = - 15 kj Hesaplamalara göre NO3

- elektron alıcısı olarak kullanıldığında oksijene yakın bir enerji üretmektedir. Fakat SO4

- oksijene kıyasla 11 kat, CO2 ise yaklaşık 15 kat daha az enerji üretmektedir. Bu hesaba göre 1 mol NADH oksidasyonu ile sülfat ve CO2 elektron alıcı olursa bir mol ATP (32 kj) üretilememektedir. Bu durum biyokimyacıları şaşırtmış olup sülfat ve CO2 indirgenmesi ile enerji üretilemeyeceğine inanmaya itmiştir. Bu bulmacayı 1961 yılında İngiliz bilim adamı Peter Mitchell çözerek Nobel ödülü kazanmıştır. Bu modele göre, ATP üretimi hücre membranının hemen dışında oluşturulan proton motive force ile üretilmekte olup PMF elektron transport reaksiyonları ile oluşmaktadır ve direkt NADH oksidasyonu ile üretilememektedir. Denklemde görüldüğü üzere;



8

NADH + H+ � NAD++ 2 H+ + 2e- ∆Gº = - 62 kj NADH elektronları vererek NAD+ ya oksitlendiği zaman bir proton salmaktadır. Bu proton hücre duvarının dışına atılarak Membran boyunca bir pH ve proton gradyantı oluşturur. Bu bir pildeki olaya benzer bu proton gradyantında depolanan kimyasal enerji hücre içine iyon transferi, haraket ve ATP üretimi amacı ile kullanılır. Asıl önemli olan nokta; NADH’dan elektronların son elektron alıcısına transferi direkt ATP molekülü üretimi ile alakalı olmamasıdır. Proton motive force; ATP üretimi için yeterli seviyeye ulaşıncaya kadar elektron transferi ile büyür. Daha sonra elektron bir alıcıdan diğerine aktarılır ve bu sırada alınan protonlar hücre dışına atılarak hücre membranı dışında ihtiyaç duyulan potansiyel oluşturulur. ATP içerisinde depolanan enerji hücre sentezi ve korunumu için kullanılır. ATP hücre içine difüz eder ve enerjiye ihtiyaç duyulduğu zaman ATP, ADP ve fostafa dönüşerek enerji serbest bırakılır. Bu durum şekil 1.13’de gösterilmiştir.

ENERJİ VE ELEKTRON YATIRIMI

ATP ve NADH bazı enerji üreten reaksiyonlar için gerekli bir yatırımdır. Örneğin Coenzim-a (CoA) yağ asitlerine bağlanarak onları aktive ederler ve diğer enzimler tarafından parçalanarak enerji üretilmesine yardımcı olur. Fakat CoA’nın yağ asitine bağlanması ATP gerektirir. R-COOH + H CoA + ATP � R – COCoA + ADP + H3PO4



9

İkinci verilelecek örnek ise bir dizi reaksiyon gerektiren ve hidrokarbonların degredasyonunu başlatan oxygenations reaksiyonlarıdır. Oxygenase enzyme O2 molekülünden organik moleküle oksijen katılmasını katalizler. Bir çok toksik organik bileşiğin (alifatik hidrokarbonlar, aromatik bileşikler; benzen, polycylic aromatik hidrokarbonlar, naftalin) parçalanması böyle başlar. Dioxygenation reaksiyonunda ise iki – OH gurubu eklenir ve ne NADH üretilir ne de tüketilir. Örneğin toluene (C7H8)’nin dioksygenation reaksiyonu ile katekol üretilir. (C7H8) + O2 � C7H8O2

Bu reaksiyon için iki mol NADH ‘ın ve ATP nin yatırım olarak kullanılması gerekir. METABOLİZMA Metabolizma hücredeki tüm kimyasal proseslerin toplamıdır. Metabolizma; katabolizma ve anabolizma olarak ikiye ayrılır. Katabolizma enerji üreten reaksiyonlardır. Bunlar organik maddelerin oksidasyonu veya güneş enerjisinin kullanımı ile olur. Anabolizma ise karbon kaynağından hücre üretim reaksiyonlarıdır; dolayısı ile katabolizma anabolizma için gerekli enerjiyi üretilir. Katabolizmada enerji üreten substat kademeli olarak oksitlenerek önce ara ürünler (metabolitler) üretilir. Daha sonra ise son elektron alıcısına aktarılır. Oksidasyon sonucunda kimyasal enerji elektronlar şeklinde üretilir ve bu elektronlar NADH gibi elektron alıcılarına aktarılır ve ATP üretilir. Elektronlar ve enerji içeren fosfat molekülleri (ATP) hücre sentezi, koruma, haraket gibi faaliyetlerin ihtiyaç duyulduğu yerlere aktarılır. Katabolizma ve anabolizma arasındaki enerji transferine “enerji coupling” denir. Hücre büyüme ve koruma için gerekli enerjiyi kimyasalların oksidasyonundan (chemotrophs) veya fotosentezden (phototrops) alır.

Her iki durumda da enerji elektronlar şeklinde üretilir ve bu elektronlar “enerji coupling” ile anabolizmaya transfer edilir. Bu da ATP gibi koenzimlerin kullanılması ile olur. Katabolizmada üretilen ATP anabolizmada kullanılır.

Chemoototroflar

Chemoorganotrops (heterotrof) Organikleri oksitleyerek enerji kazanır.

Chemolithotrops (ototroflar) İnorganikleri oksitleyerek enerji kazanır.



10

Şekil 1.14’te Hans A. Kreps tarafından önerilen organiklerin katabolizmi için oksidasyon şeması verilmiştir. Bütün organik moleküller bu şemaya uyar. Fakat, enerji üretimi için inorganiklerin veya güneş ışınlarının kullanıldığı durumlarda bu şema geçerli olmaz.

1. Basamak : Hidroliz � Büyük moleküller küçük moleküllere ayrılır. Az enerji üretilir. 2. Basamakta tüm yağ asitleri ve aminoasitleri asetil CoA’ya dönüştürülür. Asetil CoA

� asetik asit ve Koenzim A’nın kompleksleşmesi ile üretilir. Asetil – CoA üretimi dışında aminoasitlerden α – ketoglutorate, succinate, fumarote ya da oxalaasetat oluşur.

Bu iki basamakta hücre kullanımı için enerji üretilebilir. Son olarak 3. basamakta ikinci basamaktaki ürün sitrik asit döngüsüne girer ve CO2 ve H2O’ya dönüştürülür. Üçüncü basamağı kreps ya da sitrik asit döngüsü denir. Hücrenin kullanımı için en çok enerji ve elektron bu basamakta üretilir. Heterotroflar tek bir organik maddeyi hem katabolizma hem de anabolizma için kullanabilir. Şekil 1.14’te 2. basamak ya da 3. basamak ara ürünleri anabolizmada hücre materyali üretmek için kullanılır. Bazı durumlarda organizma bazı yapı taşlarını üretmek için gerekli vitamin ya da aminoasiti üretemez. Bu durumda gerekli vitamin ve amioasitler başka organizma tarafından üretilir ya da büyütme ortamına dışarıdan eklenir. Birçok büyük ve gelişmiş organizma, örneğin insan, gelişmeleri için bazı anahtar organik bileşikleri üretemezler. Bu gerekli vitamin ve kofaktörleri hayvansal gıdalardan almak zorundadır. Küçük boyutlarına ve insanlara kıyasla çok küçük olmalarına rağmen birçok bakteri ihtiyaç duydukları bütün materyalleri kendileri üretir. KATABOLİZMA Mikroorganizmalar enerji ihtiyaçlarını oksidasyon – redüksiyon reaksiyonlarından alırlar. Oksidasyon elektron gideren ya da uzaklaştıran bir reaksiyondur, redüksiyon ise elektron kazandıran bir reaksiyondur. Oksidasyon - redüksiyon reaksiyonlarında elektron olarak indirgenen bileşiğe elektron alıcı (elektron acceptor), elektron vererek oksitlenen bileşiğe elektron verici (elektron donor) adı verilir. Bazı durumlarda (fermentasyon) elektron verici ve alıcı aynı bileşiktir. Genel olarak elektron verici, organizmanın besinidir. Elektron vericiler organikler ve diğer bazı indirgenmiş inorganiklerdir (Örnek : HS-, Amonyak, Hidrojen). Elektron alıcılar ise oldukça az sayıda olup oksijen, nitrat, nitrit, Fe (III), sülfat, CO2 sayılabilir. Fakat son yıllarda farklı elektron alıcıların olduğu bulunmuştur; Klorat, perklorat, selenat, klorlu organik bileşikler. Bu bileşikler çevre için zararlı bileşikler olup mikroorganizmalar tarafından indirgenerek zararsız bileşikler oluşturması ve mikroorganizmalar tarafından elektron alıcı olarak kullanılması giderek büyüyen bir ilgi çekmektedir. Her bir elektronun trasferi ile serbest bırakılan enerji miktarı, elektron alıcı ve vericinin kimyasal özelliklerine bağlıdır. Bu reaksiyonlar yarı (half) reaksiyonlar ile en iyi gösterilir. Asetat ve O2 için; Asetat : 1/8 CH3COO- + 3/8 H2O � 1/8 CO2 + 1/8 HCO3

- + H+ + e- ∆Gº = - 27.40 kj O2 için : ¼ O2 + H+ + e- � ½ H2O ∆Gº = - 78.72 kj Net : 1/8 CH3COO- + ¼ O2 � 1/8 CO2 + 1/8 HCO3

- + 1/8 H2O ∆Gº = - 106.12 kj



11

∆G0’ � standart şartlarda ve pH = 7 de serbest bırakılan enerji miktarını göstermektedir. Denklem bir elektron için yazılmış olup toplam net enerji – 106.12 kj / e- eq. Buradaki (-) enerjinin serbest bırakıldığını yani enerji açığa çıkaran bir reaksiyon olduğunu göstermektedir. Elektron alıcı değiştikçe üretilen enerji değişir. Asetat - kabondioksit (asetat kullanarak metanogenesis) e- verici : 1/8CH3COO-+3/8H2O � 1/8 CO2+1/8HCO3

-+H++e- ∆G°’ = -27,40 kj e- alıcı : 1/8CO2 + H+ + e- � 1/8 CH4 + ¼ H2O ∆G°’ = 23,53 kj Net : 1/8CH3COO-+1/8H2O � 1/8 CH4 + 1/8 HCO3 ∆G°’ = -3,87 kj Glukoz ve CO2 1/24 C6H12O6 + ¼ H2O � ¼ CO2 + H+ +e- ∆G°’ = -41,35 kj 1/8 CO2 + H+ +e- � 1/8 CH4 + ¼ H2O ∆G°’ = 23,53 kj Net : 1/24 C6H12O6 = 1/8 CH4 + 1/8 CO2 ∆G°’ = 17,82 kj Hidrojen ve O2 (Hidrojenin aerobik oksidasyonu) ½ H2 � H+ + e- ∆G°’ = -39,87 kj H+ + e- + ¼ O2 � ½ H2O ∆G°’ = -78,72 kj Net : ½ H2 + ¼ O2 � ½ H2O ∆G°’ = -118,59 kj Şekil 1.15’te elektron alıcı ve vericiler için enerji seviyeleri verilmiştir. Enerjinin serbest bırakılması için elektron vericinin denklemi alıcının üstünde olması gerekir. Ayrıca alıcı ve verici arasındaki mesafe ne kadar fazla ise o kadar çok enerji üretilir. Örneğin asetat – SO4

ikilisinde Asetat elektron verici SO4 elektron alıcı olup üretilen enerji: 20 – 27 = - 7 kj /e.q Glucose - SO4 : 20 – 40 = -20 kj Etanol - SO4 : 20 – 30 = -10 kj /e.q Etanol – O2 : -80 – 30 = -110 kj /e- -e.q Fermentasyonda organik molekül hem elektron alıcı hem de elektron verici olarak kullanılır. Molekülün bir kısmı oksitlenirken diğer kısmı indirgenir. Oluşacak olan enerji ise ürünlere bağlı olarak değişir. Örneğin fakültatif ve anaerobik bakteriler glukozu fermante ederler bu fermantasyon sonucunda etanol, asetat, hidrojen veya bunların karışımı üretilebilir. Örneğin glukozun etanole fermentasyonu şekil 1.15 kullanılarak : 30 – 40 = - 10 kj/e- -e.q bulunur. Ra – Rd’den; Ra : 1/6 CO2 + H+ + e- � 1/12 CH3CH2OH + ¼ H2O ∆G°’ = 30 kj -Rd : 1/24 C6H12O6 + ¼ H2O � ¼ CO2 + H+ + e- ∆G°’ = -40 kj Net : 1/24 C6H12O6 � 1/12 CH3CH2OH + 1/12 CO2 ∆G°’ = -10 kj



12

Eğer glukoz etanol yerine asetata fermente edilirse üretilen enerji: -14 kj/e- -e.q bulunur. Fermentasyonun olabilmesi için başlangıç organik maddenin yüksek ∆Gº ‘a sahip olması gerekir. Serbest enerji değişimi hesabına göre hangi pathwayin kullanıldığı bırakılan enerji miktarını değiştirmeyecektir. Fakat organizma açısından bakıldığında pahtway önemli olup üretilen enerjinin ne kadarının organizma tarafından kullanılabileceği pathwaye göre değişiklik gösterir. Bazen “yatırım” gerekli olup net enerji kazanımını etkiler. Örneğin; molekülü monooxygenase enzimi ile aktive etmek. DOYMUŞ HİDROKARBONAR, ALKOLLER, ALDEHİTLER VE KETONLAR Hidrokarbonlar sadece karbon ve hidrojen içerirler alifatik ( benzen halkası içermeyen ) veya aromatik (benzen halkası içeren) olabilir. Hidrokarbonlar, güçlü C-C ve C-H bağları nedeni ile kimyasal ve biyolojik parçalanmaya dirençlidir. Güçlü bağlara sahip hidrokarbonlarda ilk parçalanma aşaması “oxygenation” adımıdır. Örnek: Metan monooxigenation ya da toluene dioxigenation. CH4 + NADH + H+ + O2 � CH3OH + NAD+ + H2O C7H8 + O2 � C7H8O2 Her iki reaksiyon için de moleküler O2 gerekmekte olup, NADH monooksygenation için kosubstrat olarak kullanılır. Oxygenation reaksiyonu termodinamik olarak harcama gerektiren pahalı bir basamaktır. Şöyle ki; NAD+’ı NADH’a indirgemede kullanılabilecek olan elektronlar O2’i H2O’ya indirgemek için kullanmakta olup hücre bundan bir enerji kazanmamaktadır. Bu büyük enerji kaybı nedeni ile hidrokarbon oksidasyonunda çok daha az bakteri üretilecektir. Fakat bu “oxygenation” yani oksitlenme reaksiyonu şart olup hidrokarbonu NADH- üreten reaksiyonlar ile daha kolay oksitlenebilecek bileşiklere dönüştürür. Anaerobik koşullarda da hidrokarbonların parçalanması gözlenmekte olup yine ilk adım moleküle O2 kazandırarak alkole dönüştürmektadir. Bu basamak için gerekli O2 anaerobik koşullarda başka organiklerden veya sudan elde edilir. Şekil 1.16’da düz zincirli bir hidrokarbonun oksidasyonu verilmiştir. İlk basamak monooxygenation olup iki elektron ve NADH gereklidir. Bu basamak hücre tarafından karşılanır fakat diğer basamakta NADH üretir. Şekil 1.16’da oluşan yağ asidi, şekil 1.17’de gösterildiği gibi β – oxidasyon prosesi ile oksitlenir. Organik asidin karboksil gurubundaki ikinci karbon β – karbon atomu olup β – oksidasyonu ile oksitlenir. β – oksidasyonunda ilk adım; Koenzim a’nın ilavesidir. HS – CoA olarak gösterilen koenzim A moleküle ilave edilerek molekül aktif hale getirilir ve sonraki oksidasyonlar için molekülü hazır hale getirir. Bu aktivasyon basamağı bir yatırım basamağı olup ATP formunda enerji gerektirir. Bu yolla üretilen elektron ve protonlar elektron taşıyıcılarına aktarılır. FAD ve NAD+ elektron ve H+’ni alarak FADH2 ve NADH’a dönüşürler. İlk basamakta elektronlar NAD yerine FAD ‘a aktarılır. Bunun nedeni ise daha az enerji üretmekte olup daha az enerji taşımada kullanılan FAD bu basamakta görev alır.



13

Alkan : R – CH2 – CH2 – CH3 Monooxygenation NADH + H+ + O2 NAD+ + H2O H Alkol : R – CH2 – CH2 – C – OH H Dehydrogenation NAD+ NADH + H+ O Aldehit : R – CH2 – CH2 – C – H NAD+ + H2O NADH + H+ O Hydroxylagion Asit R – CH2 – CH2 – C – OH Şekil 1.16 KARBONHİDRATLAR Karbonhidratlar selüloz, nişasta ve komplex şekerler gibi polisakkaritlerdir. Enzimatik hidroliz sonucunda karbonhidratlar genellikle 6 karbonlu heksoza ve 5- karbonlu pentoza dönüşür. Bu basit şekerler asetata kıyasla elektron başına daha fazla enerji ihtiva ederler. Bu nedenle karbonhidratların anaerobik fermantasyonu ile bakteriler enerji üretirler ve daha az enerji içeren son ürünlere dönüştürürler. Fakat, son elektron alıcısının olması durumunda karbonhidratlar asetil – koenzim a ya dönüşür. Ve bu da diğer organik substratlar gibi sitrik asit döngüsüne girer. Burada ilk olarak glikozun asetil – CoA ya dönüşümü ve fermantasyonu hakkında bilgi verilecektir. Şekil 1.19 da glikozun asetil CoA ya dönüşümü verilmiştir.



14

HS-CoA



15

ATP formunda enerji verilmesi ile glikoz 3- karbon atomlu iki moleküle dönüştürülür (gliseraldehit 3-fosfat). Adım adım oksidasyon ile glikoz 3 karbon atomlu iki mol pirüvata oksitlenir. Pirüvat, karbonhidratlardan daha fazla oksitlenmiş bir moleküldür. Daha sonra NADH+ CO2 bırakılarak asetil - CoA ya dönüştürülür. Asetil CoA sitrik asit döngüsü ile oksitlenir. Genel reaksiyon; C6H12O6 + 2HSCoA+4NAD++2ADP+Pi � 2 CH3COSCoA+4 NADH+2 ATP+2 CO2 + 4H+ Eğer ortamda elektron alıcısı (oksijen gibi) yoksa birçok fakültatif organizma organik maddeleri enerji kaynağı (elektron verici) ve elektron alıcısı olarak kullanır. Fermantasyon prosesi birçok basamak içermekle beraber glikozdan pirüvata gider veya asetil – CoA üretilmeden durur. C6H12O6 + 2 NAD+ + 2ADP+ 2Pi � 2 CH3COCOO- + 2 NADH+2 ATP+4H+

Denklemden görüldüğü gibi glikozun fermantasyonu ile iki mol ATP üretilir bu yolla oksidasyona “substrat düzeyinde fosforilasyon” denir. Fakat, ATP yanında ayrıca 2 NADH da üretilir. Organizmanın son elektron alıcısı olmadığı için NAD+ üretimi amacıyla bu iki elektrondan kurtulması gerekmektedir. Organizma bunu; elektronları pirüvata aktararak yan ürünler oluşturarak gerçekleştirir. Bu yan ürünler: etanol asetat ya da diğer basit bileşikler olabilir (Ör: proponol, butanol, succineate, butrat ve H2). Hangi ara ürünlerin oluşacağı organizmaya ve çevre şartlarına bağlıdır. Çok bilinen bir fermantasyon olan glikozun entanole fermantasyonu aşağıda verilmiştir. C6H12O6 � 2 CH3CH2OH + 2CO2 Burada etanol piruvat ve NADH’dan iki basamakta gerçekleşir. Pirüvattan asetaldehit oluşumu : CH3COCOO- + H+ � CH3CHO + CO2 Asetaldehit ve NADH’dan etanol üretimi CH3CHO + NADH + H+ � CH3CH2OH + NAD+ Net reaksiyonu ise ; C6H12O6 + 2ADP + 2Pi � 2 CH3CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP Alkol fermantasyonu ile glikozdan iki mol ATP üretilmekte olup pirüvatın etanole indirgenmesi ile bütün NADH’lar tekrar NAD+ ‘ya dönüştürülür. Glikozdan asetat fermantasyonu daha fazla enerji üretmekte olup birçok durumda fermantasyon sonucu uçucu y ağ asitleri üretilir. SİTRİK ASİT DÖNGÜSÜ Daha önce gördüğümüz gibi besinler önce hidrolize uğrar daha sonra ise kısmen oksitlenerek NADH ve Asetil CoA ya veya sitrik asit bileşenlerinden birine dönüşür. Son elektron alıcının olması durumunda da Asetil CoA sitrik asit döngüsüne girer. Sitrik asit döngüsü şekil 1.20 ‘de verilmiştir. Döngünün başlaması için Asetil CoA önce oxaloasetik asit ve su ile birleşip sitrik asidi oluşturur. Kısaca sitrik asitte gerçekleşen önemli olaylar;



16

1) Asetattaki 8 elektron 4 basamakta giderilerek 3 NADH ve 1 FADH2 oluşturulur. 2) 4 Basamak H2O ekler, 1 basamak H2O giderir. 3) Son basamakta molate oksaloasetata oksitlenir ve oksaloasetat asetil CoA ile

birleşip sitrik asit oluşturmak sureti ile yeni döngüyü başlatır.

Reaksiyon : CH3COSCoA+3NAD+ +FAD+GDP +Pi+3 H2O � CO2+3NADH + FADH2+GTP+3 H+

+HSCoA Eğer glukoz katabolizmasına dönüp net toplam reaksiyonu yazarsak C6H12O6 +10 NAD+ + 2FAD + 2ADP + 2GDP + 4Pi + 6H2O � 6CO2 + 10NADH + 2FADH2 + 2GTP + 2ATP + 10H+

Dolayısı ile NADH ve FADH2 nin bir elektron alıcıya giderek NAD+ ve FAD’ı tekrar elde etmek gerekir böylece yüksek enerji elde etmek için “oksidatif fosforilasyon” gereklidir. OKSİDATİF FOSFORİLASYON Oganizma biyosentez için oldukça fazla ATP formunda enerjiye ihtiyaç duyar. Bu enerji NADH ve FADH2 şeklinde depolanan enerjiyi ATP’ye çevirerek karşılanır. Asıl sorun organizma elektron taşıyıcı olan NADH ve FADH2’yi nasıl enerji molekülü olan ATP ye çevrilecek? Bunlar büyüme haraket ve hücre koruma amacı ile kullanılacak. İşte elektron taşıyıcılarda biriken enerji “oksidatif fosforilasyon” ile enerjiye dönüştürülür. Bu terimle ilişkili “solunum” yani respirasyon ise elektron alıcının indirgenmesidir. Oksidatif fosforilasyon respirasyon yolu ile hücre için enerji üretimidir. Ortaya çıkacak olan enerji miktarı kullanılacak olan elektron alıcısına bağlıdır. Eğer oksijen elektron alıcı olarak kullanılırsa oldukça yüksek miktarda enerji üretilecek olup bir mol NADH’dan 3 mol ATP üretilebilir.



17

ATP = ADP + Pi ∆G°’ = -32 kj/mol ATP Bu bir mol NADH’dan ne kadar ATP üretebileceğine dair bir fikir vermektedir. Hücrelerdeki konsantrasyonlar baz alınırsa gerçek değeri yaklaşık -50 kj/mol ATP ‘dir. Farklı enerji seviyesinde olan bir elektron alıcısı (örneğin nitrat) için daha farklı ve muhtemelen daha az sayıda protein ve stokrom gerekir. Eğer NO3

-, sülfat gibi daha potizif ∆G°’ değerine sahip bir elektron alıcı kullanılırsa merdiven stokrom ao3 ‘den önce sona erer (Şekil 1.22). ∆G°’ 40 ¼ CO2 + H+ + e-

� 1/24 C6H12O6 + ¼ H2O 30 ½ NAD+ +1/2 H+ + e- � ½ NADH 20 Flavoprotein 10 Iron – Sulfur protein 0 Quinone -5 Stokrom bci -25 Stokrom c -15 Stokrom oo3 -78 ¼ O2 + H+ + e- � ½ H2O Elektronlar NADH’dan her bir e- taşıyıcına geçerken protonlar serbest bırakılır ve bu protonlar ya hücre dışına pompalanır veya hücre içinde OH- ile reaksiyona girer. NADH (in) + H+

(in) + FP(ox) � NAD+ (in) + 2 H+

(out) + FP (red) 2-

2 H2O (in) � 2 H+

(in) + 2 OH(in) –

En çok iyon ayrışımı elektronların Flavoprotein den stokrombcı’e geçerken olur. H+ ve OH- iyonlarının hücrenin frklı kısımlarına (dış ve iç) pompalanması bir proton motive Force (PMF) yaratır. PMF bir enerji gradyantı olup ADP ve fosfattan ATP üretimi amacıyla kullanılır. H+ (out) + ADP + Pİ � H(in) + ATP



18

Eğer son elektron alıcısı O2 değilde başka bir e- alıcısı olunca PMF oluşumu için daha az enerji olacaktır. Dolayısıyla, daha fazla NADH oksitlenerek ATP oluşumu iççin gerekli PMF oluşturulur. Tekrar Glikoz Örneğine Dönersek; Glikozdan önce asetil CoA oluşacak: C6H12O6 +2 HSCoA+ 4NAD+ + 2ADP+2Pi � 2CH3COSCoA + 4NADH+2ATP+2CO2+4H+ Sonra asetil CoA oksitlenerek (sitrik asit döngüsü) 2CH3COSCoA + 6 NAD+ + 2 FAD+2GDP+2Pi+6H2O � 4CO2 + 6NADH+2FADH2 +2GTP + 6H+ + 2 HSCoA Dolayısı ile glikozdan toplam 2 ATP, 10 NADH, 2 FADH2 ve 2 GTP oluşur; oluşan NADH ve FADH2 elektron alıcısı olan O2 ‘e giderse her bir mol NADH’dan PMF yoluyla 2,5 ATP ve her bir mol FADH2 ‘den 1,5 mol ATP üretilir. Buna göre toplam denklem: C6H12O6 + 6 O2 +30 ADP +2 GDP+32 Pi � 6 CO2 +6 H2O + 30 ATP + 2 GTP Mikroorganizmaların organik maddelerden enerji üretim verimleri %100 olmaz. Bu durum Tablo 1.12’de verilmiştir. Tablo 1.12. Glikozdan ATP üretiminde enerji verimi Reaksiyon ∆G°’ ATP

Oluşum Sayısı

Toplam ATP/ADP Enerjisi (kj)

Enerji Transfer Verimi

C6H12O6 + O2 �6 CO2 + 6 H2O -2882 32** 1600 % 56 C6H12O6 �2 CH3CH2OH + 2 CO2 -244 2 100 % 41 C6H12O6 �3 CH3COO-+3 H+ -335 3 150 % 45 1 mol ATP = 50 kj, ** 30 mol ATP + 2 mol GTP Tablodan görüldüğü üzere enerjinin yaklaşık yarısı ATP oluşumuna aktarılabilecektir. Bu enerji hücre oluşumu reaksiyonunda kullanılırkende enerjinin yaklaşık yarısının kaybolacağı düşünülürse, organik maddeden hücre sentezi için toplam verim ; 0,5 * 0,5 = %25 civarında olur. Bu enerji transfer verimi her organizmada farklılık göstermekle beraber maksimum % 60 beklenmelidir. Eğer ortamda “enerji uncoupling” toksik bileşikler varsa veya çevresel koşullar optimum değilse, organizma elektronların bir kısmını bu toksik etkileri bertaraf etmek için kullanır. Bu durumda enerji verimi düşecektir. Örneğin tetrokloroetilenin H+ varlığında indirgeme reaksiyonu aşağıda verilmiştir. 2 H2O + CCl2 = CCl2 � CHCl + 2 H+ + 2 Cl- ∆G°’ = - 374 kj. Yapılan çalışmalarda 1 mol H2 oksidasyonundan 1 mol ATP üretildiği yani reaksiyondan toplamda sadece 100 kj enerji elde edildiği bulunmuştur. Buna göre enerji transfer verimi sadece 100/374 ≈ % 27’dir. Bunun nedeni FeCl’nin toksik etkisidir.



19

Bazen enerji sadece hücre sentezi için kullanılmaz. Hareket ve hücre elemanlarınının yenilenmesi için de kullanılır. Peki ne kadar enerji hareket için kullanılır ve bu enerji substrat katabolizminden hareket enerjisine nasıl aktarılır? Bir çok bakteri flagella denen kamçılarıyla hareket ederler. Salmonella typhimurium altı flogellaya sahiptir. Saat yönünün tersine bu altı flogellayı çevirerek 100 tur/saniye ile döndürmek suretiyle ilerler ve 25 µm/sn hızla hareket eder. Bu ortalama olarak bir saniyede kendi boyunun 10 katı kadar yol alıyor demektir. Hareketi sağlayan PMF dur. Bir flagellanın ir turu için 1000 proton gerekir. Dolayısıyla altı flagella için 600.000 proton/sn gerekmektedir. Bu çok büyük bir rakam gibi görünse de br mol maddenin 6.02.1023 olduğu düşünülürse bunun çok da yüksek bir rakam olmadığı ortaya çıkar. Gerçekte hareket için üretilen tüm enerjinin sadece yaklaşık %1’i kullanılır. Hücre enerjiyi direk olarak PMF’dan alarak ATP kullanmaz. Bu daha etkili bir yol olup kullanılacak enerji ve elektron taşıyıcılarının sayısı azaltılır. Ne kadar az transfer elemanı kullanılırsa o kadar etkili ve verimli bir şekilde enerji kullanılacaktır. Fototrofik enerji Transferi Birçok fototrofik organizma enerjisini güneşten alır. Işığın enerjisi dalga boyu ile alakalıdır. Görünür bölge dalga boyu 400-700 nm arasında olup enerji 170-300 kj/Einstein arasında değişir. Peki organizma ışığı nasıl alarak enerjiye dönüştürür? Klorofiller hücrenin ışık tutan pigmentleridir. Genellikle klorofil yeşildir çünkü klorofiller normal olarak kırmızı ve pembe ışığı tutar ve yeşil ışını tutamazlar. Tutamadıkları bu yeşil ışık fotosentetik pigmentlerden geri yansır. Fakat bütün fotosentetik organizmalar yeşil değildir. Işığın diğer enerji boyutlarını absorplayan organizmalar kahverengiden kırmızıya farklı renklerde olabilir. Aerobik ve anaerobik fotosentezde reaksiyonlar değişmekle birlikte sonuç olarak ATP ve oksitlenmiş bir ürün ortaya çıkar. Oksijenik fotosentezlerde net reaksiyon, H2O + NADP+ + 2 ADP + Pi � NADPH + H+ + ATP + 0,5 O2 Bu denklemin oluşumundan ortalama 400 – 500 kj enerji kullanılmakla beraber ortaya çıkan NADPH ve ATP DEKİ TOPLAM SERBEST ENERJİ 251 kj’dür. Dolayısı ile güneş ışınındaki enerjiyi kimyasal enerjiye çevirmedeki verim % 50 – 60 civarındadır. Anoksik fotosentezde mor ve yeşil bakteri gibi bakteriler anaerobik koşullarda fotosentez yapar. Bu durumda redüktant olarak H2O yerine H2S kullanılarak NADPH üretilir ve O2

yerine de S° üretilir. Dolayısıyla mikroorganizmalar birçok farklı koşulda enerji üretebilir. Anabolizma: Anabolizma hücre sentezidir. Basit olarak katabolizmanın tersidir. Basit kimyasal precusorlar (asetat gibi) daha kompleks yapı bloklarına dönüştürülür (glikoz gibi). Daha sonra bu kompleks yapı blokları daha büyük makromolekül yapımında (protein, karbonhidrat, yağ, nükleik asit ve diğer hücre bileşenleri) kullanılır. Katabolizma ve anabolizmada kullanılan enzimler farklıdır. Anabolizmada iki seçenek vardır. Birincisi organik karbon kullanarak hücre sentezi (heterotrof), ikincisi ise inorganik karbonun kullanıldığı ototrofik büyüme. Ototrofik büyümede az bir miktar organik karbon vitamin olarak gerekli olabilir. Bazı organizmalar hem ototrof hemde hetorotrof büyüme özelliğine sahip olup buna mixotrof denir. Organik maddeleri kullanarak hücre sentezi yapmak için gerekli olan enerji, inorganik karbon kullanarak hücre sentezi yapmak için gerekli enerjiden çok daha azdır. Bu nedenle, organik maddelerin mevcut olması durumunda heterotforlar; ototroflara göre çok daha avantajlıdır. Fakat ortamda organik madde bulunmaması durumunda ototroflar dominant olacaktır.



20

Hücre sentezi için ototroflar ve heterotrofların enerji ihtiyaçları aşağıda kıyaslanacaktır. Burada, asetat veya CO2 ‘den glikoz (karbonhidrat üretimi için kullanılan temel yapı taşlarından birisi) üretimi için gerekli enerji kıyaslanacaktır. 3 CH3COO- + 3 H+

� C6H12O6 ∆G°’ = 335 kj 6 CO2 + 6 H2O � C6H12O6 + O2 ∆G°’ = 2880 kj Görüldüğü gibi CO2 kullanarak glikoz üretimi asetata göre 6 kat daha fazla enerji gerektiren bir reaksiyondur. Hücre sentezi için gerekli ATP katabolizma sürecinde üretilmektedir. Fakat, özellikle inorganik karbonun kullanılması durumunda indirgen güç olarak NADH yada NADPH kullanılır. Buda enerji harcanması anlamına gelir. Çünkü bir kısım elektron elektron alıcısıyla buluşup ATP üretmeden alınarak hücre sentezinde kullanılır. CO2 ‘den glikoz üretim pathway’ı 1945 yılında Melvin Calvin tarafından bulunmuş ve bu döngü Calvin döngüsü (Calvin cycle) olarak bilinmektedir. (şekil 1.24) Bu döngüde ATP ve NADH kullanılır. Net denklem: 6 CO2 + 18 ATP +12 NADPH + 12 H+

� C6H12O6 +18 ADP+ + 12 NADP+ + 18Pi + 6 H2O Bu reaksiyon için gerekli enerji çok kolay hesaplanabilir. Denklem 1.22 ve 1.24 kullanılarak; 18 ATP + 18 H2O � 18 ADP + 18 Pi ∆G°’ = -576 kj 12 NADH + 6 O2 + 12 H+

� 12 NAD+ + 12 H2O ∆G°’ = -2628 kj Dolayısıyla ATP ve NADH olarak toplam 3204 kj enerji gerekir. Enerjinin çoğu NADH’dan gelmekte olup az bir kısmı ATP’den sağlanır. Daha önce bahsedildiği gibi, 6 CO2 + 6 H2O � C6H12O6 + 6 O2 ∆G°’ = 2880 kj CO2 ‘den glikoz üretimi için 2880 kj enerji gerekmektedir. Calvin döngüsünde toplam 3204 kj enerji kullanılmakta olup burada enerji transfer verimi yaklaşık % 90’ın üzerinde olmaktadır. Eğer ışık enerjisinin ATP ve NADH’a dönüşüm veriminin % 50 – 60 arasında olduğunu kabul edersek, ışık enerjisinden hexose (yani glikoz) üretimi için toplam enerji veriminin % 50 olduğu kabul edilebilir. CO2 alarak hücre üretiminde kullanan bazı organizmalar calvin döngüsüne göre CO2

fixasyonu yapmazlar. Özellikle anaerobik metanojenler, bazı sülfat indirgeyenler, homoasetojenik bakteriler calvin döngüsüne göre CO2 absorplamazlar ve bunlar CO2 ‘den önce asetil koenzim A (acetyl CoA) üretir ve bu acethlCoA hücre sentezi için başlangıç elemanı olur. Bu döngüde bir molekül CO2 asetil CoA’nın metil gurubunu, diğer bir molekül CO2 ise asetil CoA’nın karboksil gurubunu oluşturmada kullanılır. Bu reaksiyonda H2 elektron vericisi olarak kullanılır. Bu döngüde anahtar enzim karbon monoksit dehydrogenose enzimidir. Bu enzim kompleks bir yapıya sahip olup Ni, Fe, Zn gibi metal kofaktörleri gerektirir. Hücre üretimi heterotroflar için daha basittir. Çünkü kullanılacak olan karbon zaten indirgenmiş formda mevcuttur birçok organik maddenin katabolik reaksiyonunda asetil CoA üretilmekte olup bu direk olarak (birçok ototrofta olduğu gibi) hücre sentezinde kullanılabilir.



21

Alternatif olarak metl ototroflar ( methylotrophs) tek karbonlu molekülleri (metan, metanol, karbon monoksit) kullanmakta olup bunlar serine pathway’i kullanarak formaldehit ile CO2 ‘i birleştirerek asetil CoA üretirler çünkü bunların katabolik reaksiyonlarında asetil CoA üretilmez. Asetil CoA üretiminden sonra glikoz fermantasyonu veya glikoliz reaksiyonlarının tersine glikoz üretilir ve glikoz karbonhidrat ve nükleotit yapımı için yapıtaşı olarak kullanılır. Tablo 1.13’de mikroorganizmalar Trophic guruplarına göre sınıflandırılmıştır. Trophic � organizmanın ne ile besleneceğini göstermektedir. GENETİK VE BİLGİ AKIŞI Bütün organizmalar gibi mikroorganizmalarda kim olduğunu ve ne yapması gerektiğini kntrol eden karmaşık bir bilgi akış sistemine sahiptir. Bu bilgi akışına genetik denir. Aktarımı yapılan bilgi “gen” lerde saklıdır. Fakat “gen” bu bilgi akışının ve genetiğin başlangıç noktasıdır. Hücrede bütün önemli bilgiler stoplazmada yayılmış halde bulunan deoksiribonükleik asit ya da DNA’da saklıdır. Aslında DNA hiçbir şekilde olayları yönetmez. Sadece gerekli bilgiyi depolar. Kompleks bir bilgi akışı sonucunda gerekli işlemleri gerçekleştirilecek ve katalizleyecek enzimler üretilir. Genetik kod ve enzimler arasında bu işi görecek 3 makromolekül vardır. mRNA (mesajRNA ya da messsenger RNA), Rrna (Ribozomal RNA) ve tRNA (taşıyıcı RNA ya da transfer RNA) Şekil 1.25’de gen’deki bir bilginin enzime dönüşümü gösterilmiştir.

Gen, DNA’nın bir parçası olup bir dizi deoksiribo nükleotid’den meydana gelir. Gendeki bu deoksiribonükleotit dizisi tamamlayıcı bir ribonükleotit dizinine dönüştürülür (mRNA) DNA’daki bu bilginin mRNA’ya aktarılmasıyla DNA hiçbir zarar görmeden veya işlevini engellemeden tüm işlemin artık mRNA üzerinden yapılmasına olanak sağlar. mRNA daha sonra ribozomlara gider. Ribozom büyük bir multicomponent olup başka bir RNA formu olan ribozomal RNA (rRNA) içerir. Burada mRNA dizisine bağlı olarak taşıyıcı RNA (tRNA) lar amino asit taşıyararak protein üretimi gerçekleştirilir. Farklı tRNA’lar farklı aminoasitlere bağlanabilmektadir. Dolayısıyla rRNA ve mRNA ancak ribozomlarda bu işi yaparak protein üretirler. Bu yolla hücre için gerekli tüm enzimler ve proteinler üretilebilir.



22

Hücre bölüneceği zaman kendi DNA’sının bir kopyasını oluşturur. Deoksiribonükleik Asit (DNA) Purine ve primidin (pyrimidine) nükleotitlerinin sırası geni oluşturmakla beraber bu nükleotitler birbirlerine fosfat bağlarıyla bağlı olup daha büyük bir molekül oluşturur. Her bir nükleotit’in üç basit bileşeni vardır; 5 – karbonlu karbonhidrat (yada deoksiriboz), azot içeren bir baz, ve fosfat gurubu (şekil 1.26)

A ve G purin bazları, C ve T pirimidin bazlarıdır. Arasındaki temel farklar purin bazları iki hetero ring içerir ve toplam 4 adet N atomu bulundurur. Pirimidin bazları ise toplam 2 azot atomu içerir ve tek hetero ring içerir. Hem pirimidin (pyrimidine) hemde purin (purine) bazik yapıdadır. Çünkü azot atomları H2O’dan H+ iyonu alarak OH bırakır (Amonyak gibi). Şekil 1.27 bu bazik azot içeren yapıların ve fosfat gurubunun ribozoma nasıl balanarak deoksiribonükleotit oluşturduğunu göstemektedir.



23

Riboz molekülünün birinci karbon atomu ile azotlu baz bağlanır. Fosfat grubu ise riboz molekülünün 5. karbon atomuna bağlanır. Azotlu baz ile riboz arasında glycosidic bond (glikosidik bağ) bulunur. Bu bağ oluşurken karbondan OH- ayrılır, azotlu bağdan da H+

ayrılarak H2O oluşturur. Eğer fosfat gurubu yoksa moleküle “ribonükleikaside” denir. Fosfat gurupları ard arda nükleotitlerin bağlanmasını sağlar. İkisi için örnek şekilde verilmiştir. Karşılıklı iplikçikler ise birbirine hidrojen bağları ile bağlanıp ikinci iplikçik ters çevrilmiş vaziyettedir. Nükleotitlerde bağlanma 5 den 3’e şeklinde olur. Karşı iplikçikte ise bu, tersine 3 ten 5’e doğru olur.

3 – 5 nükleotidten oluşan kısa sıraya oligonükleotit denir. Fakat şifre çözümü için kullanılan ve bilgi içeren bir gen yüzlerce yada binlerce baz dizisinden oluşabilir. Her bir nükleotit yaklaşık 400 daltondan oluşmakta olup bir gen milyonlarca dalton olabilir. Bazen kilobaz terimi ( 1000 baz sırası) de kullanılır. Bir oligonükleotide örnek verecek olursak 5’ – ATCATTCGATAC – 3’. Burada 5’ ile başlayıp 3’ ile bittiğini vurgulamak gerekir. Karşıdaki baz sırası tamamlayıcı olup 3 ile başlayıp 5 ile biter. Kimyasal yapılarından dolayı C ile G üç hidrojen bağı A ile T ise iki hidrojen bağı oluşturur (şekil 1.29). Dolayısı ile iki iplikçik



24

arasında hidrojen bağları olup iplikçiklerin (strand) birbirine sıkıca tutunmasını sağlar (şekil 1.30)

C – G arasında üç hidrojen bağı olduğundan G ve C içeren dizinler daha sağlam olmaktadır. Örneğin % 60 C + G içeren bir dizin % 40 C + G içeren bir dizine göre daha yüksek sıcaklıklarda çift sarmal halinde kalabilmektedir. Genetik bilgi iki sarmallı DNA’da bulunmaktadır. DNA’nın iki sarmallı oluşunun iki önemli sonucu vardır. Birincisi; DNA zarar görürse ikincisi kullanılarak onarılır. İkincisi ise yazılım ya da replikasyon için DNA sarmallarının ayrılması ancak önemli işlemlerle mümkün olur. KROMOZOM Bir mikroorganizmayı tanımlayan genetik bilgi kromozomlarda şifrelenmiştir. Kromozom iki sarmallı DNA olup; enerji üretimi, hücre duvarı sentezi, membran, ribozom ve replikasyon gibi fonksiyonlara ait bilgileri bünyesinde barındırır. Hücre kendini kopyalarken kromozomu da kopyalayarak yeni hüceye geçmesi gerekir. Buna “vertical transfer of DNA” denir. Prokaryotik DNA çift sarmallı olup hücrenin ortasında yer alır fakat kendini çevreleyen bir zar içermez. Bir bakteri kromozomu 5x106 baz çifti içerir. Bir arke tipik olarak 2x106 baz çifti içerir. Bir ökaryotik kromozom bakteri kromozomundan daha kompleks bir yapıya sahiptir. İlk olarak DNA bir membran içerisinde olup nucleus adını alır. Ayrıca ökaryotlarda kromozomal DNA daha kompleks ve büyüktür. Genelikle 10000 kat daha büyüktür. Üçüncüsü her okaryot iki ile yüzlerce kromozom içerebilir. 4. ise DNA kromozomları histon adı verilen proteinler ile ilişkilidir. Son olarak, ökaryot DNA’sında kod içermeyen kısımlar mevcuttur. Bunların ne işe yaradığı ise çalışılmaktadır. PLAZMİTLER Prokaryotlar, kromozomun bir parçası olmayan DNA parçacıkları içerirler. Plazmit adı verilen çift sarmallı halka halinde kromozomdan ayrı DNA parçacıkları vardır. Tipik bir plazmit 105 adet baz çifti içermekle beraber sayısı değişiklik gösterir. Plazmitler zor şartlar altında bakterinin fonksiyon göstermesine yardımcı olacak genler içerir. Örnek olarak; antibiotiklere dayanıklılık ile, zor parçalanan organiklerin biyodegredasyonu gibi.



25

Prokaryotlar bir veya daha fazla sayıda plazmit içerirler. Prokaryotlar genel karakteristik ve fonksiyonlarını yitirmeden plazmit kazanıp kaybedebilir. Çevresel alanda plazmit kazanımı ve transferi “horizontal transfer of DNA” ‘nın en önemli tipidir. Horizontal (yatay) DNA transferi hücre kopyasının içermediği DNA’yı kazanma anlamına gelir. “Conjugation” da plazmit içeren hücre ve içermeyen hücrenin teması gerekmektedir. Enerji gerektiren bir proseste, plazmit DNA çoğaltılarak alıcı hücreye aktarılır. Böylece her iki hücrede plazmit kazanmış olur. Konjugasyon ile hücre bölünmesinden bağımsız olarak plazmit çoğaltılarak bir hücreden diğerine aktarılır. Dolayısı ile konjugasyon yeni hücre büyütmeden genetik bilginin bir prokaryotik hücreden diğerine aktarımıdır. DNA REPLİKASYONU Genetik bilginin bir sonraki nesle kusursuz aktarılması için, DNA sarmallarının kusursuz olarak kopyalanması gerekmektedir. DNA replikasyonu (kopyalanması) 5 önemli basamak içerir;

1. DNA çift sarmalı replikasyon merkezi adı verilen bir noktadan ayrılır. Özel bir enzim ve bağlama proteini sarmalları açma ve açık tutma ile sorumludur.

2. DNA polimeraz enzimi bir sarmala bağlanarak 3’ – 5’ yönünde bazdan baza haraket eder.

3. Polimeraz enzimi bağlandığı DNA sarmalının tamamlayıcı kopyasını üretir ve bazlar birbirine fosfat bağları ile bağlanır. Bu işlemde nükleotit trifosfatlar hücre stoplazmasından alınır.

4. Her iki sarmalın kopyası aynı anda üretilir ve böylece kopyalama gerçekleşir 5. DNA hatasız kopyalanması gerektiğinden hücre baz dizisini okuyarak hataları

düzelten bir mekanizmaya sahiptir. Polimeraz hataları fark ederek düzeltir. Hata oranı oldukça düşük olup 108 - 1011 baz çiftinde bir hata yapılmaktadır.

RİBONÜKLEİK ASİT (RNA) DNA’daki genetik kodun çalışan proteinlere dönüştürülmesinde üç çeşit RNA kullanılır. Birincisi DNA’daki kodun tek sarmallı RNA’ya dönüştürülmesi ve yazılım adı verilen poseste oluşturulan mesajcı RNA (mRNA). İkincisi mRNA’daki baz sırasına göre proteinlerin üretildiği ribozomlar RNA’dan oluşmakta olup rRNA adı verilir. Üçüncüsü ise ribozoma bağlanan baz dizisine göre aminoasit taşıyan taşıyıcı RNA’lar (tRNA). RNA’nın yapısı DNA’ya çok benzemektedir. Aynı şekilde bir ribozom birincil karbon atomunda pürin ya da pirimidin bazına bağlıdır. 5. karbon atomunda ise bir fosfat grubuna bağlıdır. DNA ve RNA arasında iki fark fardır. İlki RNA’nın ribozom gurubunda ikinci karbon atomuna –OH bağlı iken DNA da –H bağlıdır. İkincisi ise RNA’da timin bazı bulunmaz. Urasil bulunur. Aşağıda gösterilmiştir.



26

Şekil. RNA’daki riboz gurubu

Transkription(Yazılım) DNA’daki kod gen ve ya segment olarak paketlenmiştir. Yazılımda DNA’nın bir segmentindeki baz sırası kaynak olarak kullanılır ve tamamlayıcı tek sarmallı RNA üretilir. Bu işlem beş basamakta gerçekleşir.

1. RNA polimeraz adı verilen enzim prometer region adı verilen kısımdan DNA’ya bağlanır. “Prometer Region” yazılımın başlayacağı noktadan önce yer alan yaklaşık 35 bazlık bir kısımdır.RNA polimeraz enziminin bağlanabilmesi ve mRNA’nın üretilebilmesi için “Prometer region” (Başlatıcı bölge)’nın boş olması gerekmektedir. Normal olarak prometer bölgesi bir protein tarafından bloke edilmiş olup, bu proteinin (repressor) amacı polimeraz enziminin prometer bölgesine bağlanarak bu genden üretilecek olan protein ya da enziminin üretimini engellemektir. Çünkü daha önceden de açıklandığı gibi hücre tüm enzimleri ve proteinleri aynı anda üretmez. Sadece ihtiyaç duydukça üretir. Bu düzenlemeyi de işte yazılım aşamasında “repressor” proteinle gerçekleştirir ve yazılımı engelleyerek yapar. Bir proteinin üretilmesi gerekirse hücre repressor protein; uzaklaştırmak için gerekli mekanızmaya sahip olup, repressor protein uzaklaştırdıktan sonra RNA polimeraz enzimi prometer bölgesine bağlanır ve mRNA üretilir.

2. Çift sarmal ayrılır ve RNA polimeraz enzimi bir bazdan diğer baza kayarak 3'-5' yönünde mRNA’yı üretir.

3. Her bir bazda RNA polimeraz enzimi tamamlayıcı ribonükteosit trifosfatı büyüyen RNA zincirine ekler. Tamamlayıcı bazlar;

Zincire giren tirfosfat ribonükleosit difosfat bırakarak tek fosfatlı birmoleküle dönüşür. Bu işlem enerji açığa çıkarır. Böylece mRNA üretimi için gerekli enerji karşılanmış olur. DNA replikasyonunda olduğu gibi zincir 5'-3' şeklinde büyür.

4. Transcription’unun olduğu noktadan itibaren DNA sarmalı kapanır.

DNA RNA A U T A C G G C



27

5. RNA polimeraz enzimi yazılımı yapılan genin sonuna gelince RNA ayrılır ve daha sonra RNA polimeraz enzimi DNA molekülünü terk eder. RNA sonlandırıcı sıra (sequence) içermekte olup yazılımı durdurur.

DNA çift sarmallı iken RNA molekülü tek sarmallıdır.

mRNA (messenger RNA)

Eğer yazılmı yapılan RNA molekülü protein sentezinde kullanılırsa bu RNA ya mesaj RNA (mRNA) denir. mRNA ribozomlara taşınır. Ribozomlarda mRNA daki kod aminoasit polimerlerine dönüştürülür. Bu dönüşüm işlemi, RNA tarafından gerçekleştirilir. Transfer RNA (tRNA,Taşıyıcı RNA) Hibrit bir molekül olup hem RNA hem de aminoasit kısmı içerir. Şekil 1.32 de gösterilmiştir.tRNA nın RNA kısmı 73-90 nükleotid içerir. tRNA üç loop tan ve bir de acceptor dan oluşur. Anti kodon bir kod oluşturacak üç adet nükleotid içerir. Acceptor ise anti kodonunun koduna spesifik olarak aminoaside bağlanır. Anti kodondaki üç baz, mRNA daki üç bazın tamamlayıcısıdır. Böylece mRNA aminoasidin sırasını belirleyerek protein üretimini yönlendirir. Tablo 1.14 mRNA daki herbir kodona karşılık gelen aminoasitleri göstermektedir. Örneğin,mRNA daki UCU tRNA nın anti kodonundaki AGA ile eşleşir ve AGA anti kodonuna sahip tRNA “serine” aminoasidini taşıyarak protein zincirine ekler. Benzer olarak mRNA daki GCG “alanine” aminoasidine karşılık gelir. Toplam 20 aminoasit varken 3 kodonda 4 nükleotid toplam 64 farklı kodon oluşturabilir. Bu nedenle birçok aminoaside birden fazla kodon karşılık gelir. 4 adet kodonun (kodon=3 baz dizisi) özel fonksiyonları vardır. AUG -� mRNA da okumanın başlayacağı noktayı gösterir. UAA, UAG ve UGA -� bitirme sinyalleridir. Başlama ve bitirme sinyalleri DNA baz dizinindeki genlerin belirlenmesinde çok faydalıdr. DNA daki başlangıç ve bitiş kolonlarına karşılık gelen baz dizinleri ise; DNA da

TAC-�DNA daki başlangıç kodonu ATT, ATC, ACT-� bitirme veya sonlandırma kodonları DNA da başlama ve

sonlandırma kodonları arasındaki DNA kısmı “gen” veya “expressible DNA” yı kodlamakta olup “open reading fromes” (okumaya açık kısım) olarak adlandırılır.

Translation ve Ribozomal RNA mRNA kodonu ile tRNA daki anti kodonun eşleşmesi ribozomlrada gerçekleşir. Böylece mRNA daki üç bazlı kodon aminoasit polimerine veya proteine çevrilmiş olur (translation). AUC sırasından başlayarak ribozom mRNA daki her bir kodu bir seferde okur. Ribozomlar eşleşen tRNA yı bularak hidrojen bağlarıyla kodon ve anti kodonu bağlar. tRNA lar tarafından taşınan aminoasit kovalent olarak peptit bağlarıyla birbirine bağlanır ve aminoait zincirleri oluşur. Peptit bağlarının bağlanması H2O bırakır. Aminoasidin bağlanmasından sonra ribozom RNA, mRNA nın 3 yönünde diğer bir kodonuna giderek aynı prosesi devam



28

ettirir. Ribozom mRNA üzerinde “stop” kodonuna ulaşana kadar proteinin uzamasını sürdürür. Bir hücre binlerce ribozoma sahip olup, hücre hızlı büyümesi sonucunda ribozom sayısını arttırır. Ribozom büyük bir molekül olup, 150-250 Å arasındadır. Ribozomlar yaklaşık olarak %60 RNA ve %40 protein içerir. rRNA iki alt birimden oluşur. Bu alt birimler çökme hızıyla ölçülen boyutlarına göre belirlenir. rRNA prokaryotlarda 50S ve 30S alt birimlerini içerir. 30S üç alt birimden oluşur; 5S, 16S, 23S. Bu birimler sırasıyla yaklaşık 120, 1500 ve 2900 adet nükleotit içerirler. Şekil 1.33 E.coli ye ait ait baz sırasını ve ikincil yapısını göstermektedir. Ökaryotlarda 18S boyutunda benzer bir yapıya sahiplerdir. 16S ve 18S rRNA lar küçük sistem alt birimleri (small systemsubunits-SSU) olarak adlandırılır. Bütün SSU ler benzer ikincil yapıya sahip olmalarına rağmen baz sıraları (birincil yapıları) farklıdır. Birincil yapıdaki bu farklılık genetik olarak benzer organizmaların tanımlanmasına yardımcı olur. Buna flogeni (phylogeny) denir. Ribozomlar protein içermelerine rağmen aktif kısım RNA lardır. Translation (çevrim) başladığı zaman ribozomlardaki 50S ve 30S bir araya gelerek aktif ribozom oluşur. Translation (çeviri) Translasyon beş basamakta gerçekleşir. Bu beş basamağın hepsi ribozomun birbire komşu üç bölgesinde meydana gelir. Bu bölgeler (site) A, P ve E bölgeleridir. A-�arrival yani varış, geliş bölgesi P-� polimerizasyon (yani bağlama) E-� enit yani çıkış bölgesi İlk olarak, mRNA, rRNA nın 30S parçacığında konumlanır. Başlangıç kodonu olan AUG ribozomun P bölgesine gelir. Başlangıç kodonuna uyan ve UAC anti kodonuna sahip olan tRNA P bölgesine formylmethionine taşıyarak gelir ve AUG ye yerleşir. İkinci basamakta ise; bir sonraki kodon ile eşleşecek olan ikinci tRNA “A” bölgesine gelir. Üçüncü aşamada ise, aminoasitler arasında peptit bağları oluşur ve tRNA dan formylmethionine serbest bırakılır. 4. aşamada ise ribozom üzerindeki mRNA ve buna bağlı olan iki tRNA kayarak E ve P bölgesine gelir. Son olarak tRNA E bölgesinden serbest bırakılır ve A bölgesine yeni bir tRNA aminoasit getirir.

Bu işlem devam eder ve stop kodonuna gelince artık işlem tamamlanır. Ribozomun alt üniteleri (50S ve 30S) birbirinden ayrılarak mRNA nın serbest kalması sağlanır. Başka bir mRNA gelince bu üniteler tekrar birleşerek çevrim yenilenir. Regulation Bir hücre Express (çalıştırmak) ettiği genden daha fazlasına sahiptir. Yani bir çok gene sahip sadece bazılarını çalıştırır veya enzim üretir. İşte bu kontrol mekanizmasına regulation (düzenleme) denir.



29

Regulasyon; regulasyon protenin genin promoter bölgesine bağlanmasıyla olur. Bu protein RNA polimeraz enziminin promoter bölgesine bağlanarak mRNA üretmesini engeller. Bağlanan ve mRNA üretimini durduran bu proteine “repressor protein” denir. Eğer hücre “transcribtion” yeni mRNA üretimini isterse, hücre repressor proteinin yapısını değiştirir ve protein daha fazla promoter bağlanamaz. Repressor proteinin yapısını değiştiren moleküle inducer denir. İnducer genellikle bir ürün veya substrattır. Bazı durumlarda, transcription (yazılım, mRNA üretimi) aktivator (activator) proteinler yardımıyla olur. Aktivatör protein RNA polimeraz enziminin promoter bölgesine yapışmasını sağlar. Bu durumda inducer molekül aktivatör proteinin yapısını değiştirerek RNA polimeraz enziminin DNA ya yapışmasını sağlar. Bazı genler sürekli Express edilir. Yani bazı genler sürekli kullanılıp proteine çevrilirler. Bu genlere -constitutive- genler denir ve genellikle hücrenin temel metabolizması için gerekli proteinleri üretir. Constitutive genler regule edilmez ve hep Express edilirler. Phylogeny

Phylogeny kalıtsal genetik özelliklere dayanarak türleri sistematik gruplamadır. Modern filojenik yaklaşıma göre her tür bir ataya sahip olup filojenik ağacın köklerini oluşturur. Bütün türler bu kökten dallanır.

Şekilde basitçe bu gösterilmiştir. (Şekil 1.34, 1.35) Şekle göre yeryüzündeki bütün hayatlar üç gruba ayrılır: Arke, bakteri ve ökaryot. Arke ve bakteri -� prokaryot grubunu oluşturur. Filojenik sınıflandırma her hücrede bulunan ve hücrenin genetik özelliğiyle ilişkili olan bir moleküle dayanır. İlk bakışta kromozomun bu iş için uygun olduğu düşünülebilir. Fakat, kromozom bu iş için uygun değildir. Çünkü çok büyüktür. Çok büyük bir molekül olması, tüm nükleotit sırasının belirlenmesini zorlaştırır. Ayrıca kromozomun bazı bölgeleri değişikliğe uğrar. Bu nedenle filojenik ağacın oluşturulmasında, ribozomal RNA kullanılmaktadır. Bütün hücreler translation için rRNA ya ihtiyaç duyduğundan tüm hücrelerde bulunmakta ve ribozomların yapısı bütün hücrelerde neredeyse aynıdır. İkincil yapıları aynı olmasına rağmen birincil yapıları yani baz sıraları farklı olup türlerin tanımlanmasında kullanılır. Çoğunlukla SSU (18S veya 16S) bu amaç için kullanılır. SSU rRNA yaklaşık 1500 baza sahip olup bu baz sayısı bakterileri genetik olarak ayırmak için yeterli olup, baz sırasının belirlenmesini zorlaştıracak kadar da uzun değildir. Şekil 1.38 de 16S, rRNA nın ikincil yapısı gösterilmektedir. Bu şekil hangi bazların tüm organizmalar için aynı olduğunu ve hangilerinin organizmadan organizmaya değiştiğini göstermektedir. Değişmeyen rRNA bölgelerine conserved region denir. Organizmadan organizmaya değişen kısma ise variable region adı verilir ve organizmaları ayırt etmede kullanılır. rRNA baz dizisinin belirlenmesi için önce rRNA extract edilir. Sonra bu rRNA, PCR ile çoğaltılarak baz sırası belirlenir. Klasik yöntemde extraksiyonda fenol kullanılır. Böylece protein ile RNA birbirinden ayrılır. Ribozomal RNA daha sonra alkol ile çöktürülür. PCR ile 16S rRNA çoğaltılır. Sonra da baz sırası belirlenir. Conserved RNA bölgesi değişen bölgeyi çoğaltmak için kullanılır.



30

Mikrobiyal Ekoloji Özel araştırmalar ve bazı endüstriyel uygulamalar dışında mikroorganizmalar oldukça farklı genetik ve fenotipik özelliklerde karışım halinde bulunurlar. Farklı mikroorganizma tiplerinin birbirleriyle ve çevreleriyle olan ilişkisine mikrobiyal ekoloji denir. Bir bakteri grubunun mikrobiyal ekolojisini belirlemek için aşağıdaki soruların cevaplandırılması gerekmektedir.

1. Hangi mikroorganizmalar mevcut?

2. Mikroorganizmalar hangi metabolik reaksiyonları gerçekleştirebilirler?

3. Mikroorganizmalar hangi reaksiyonları gerçekleştiriyor?

4. Mikroorganizmalar birbirleriyle ve çevreleriyle nasıl bir ilişki içindeler?

İlk soru “community structure” olarak bilinir. Mühendisler reaktörler kullanarak uygun mikrobiyal topluluğun yeteri kadar çoğalarak istenilen reaksiyonların istenilen hızlarda gerçekleşmesi sağlanır. İstenilen mikroorganizmaların gelişmesi için uygun besin ortama verilerek mikroorganizmaların sistemde kalması sağlanır. Mikroorganizmalar ortama zamanla uyum sağlayarak istenilen reaksiyonları gerçekleştirebilir. Bu selection (seleksiyon) materyallerinin değişimi ile olur. Seleksiyon Bir mikrobiyal toplulukta bütün mikroorganizmalar aynı biyokimyasal reaksiyonları gerçekleştiremezler. Seleksiyon; çevresine en çok uyum sağlayabilen bakterilerin sayı olarak daha çabuk artması ve canlı kalmasıdır. Zamanla seçilen mikroorganizmalar ortama hakim olarak bu ortamda çok rahat yaşayabilecek duruma gelirler ve kalıtsal genetik özelliklerini koruyabilirler. Mikroorganizma bakış açısından mikroorganizmanın ilk amacı genetik özeliklerini bir toplulukta korumaktır. Bunu bir “Niche” bularak ya da oluşturarak gerçekleştirir. “Niche” yolu ile mikroorganizmalar yaşaması zor olan ortamda yaşama yolunu bulur. Genellikle birçok bakteri aynı kaynak için (elektron alıcı, elektron verici) yarışır. Seçilen mikroorganizmalar kendileri için gerekli nütrientleri ortamdan alabilirler. Yarışı kaybeden mikroorganizmaların ise zamanla grupta sayıları azalarak yok olurlar. Mühendisler ortam şartlarıyla oynayarak istenilen mikroorganizmaların seçilmesini sağlarlar. Çevre biyoteknolojisinde giderilmek istenen kirlilikler genellikle prokaryotlar için elektron alıcı veya organik maddelerin bir ölçüsüdür. BOİ yi atıksudan gidermek ve heterotrofik bakterilerin seçilmesi amacıyla elektron alıcının ortama verilmesi gerekmektedir. Bu amaçla suya oksijen verilir. Ortam şartlarının (pH, sıcaklık, tuzluluk) uygun olması ve tüm nütrientlerin yeterli olması durumunda BOİ oksidasyonu gerçekleşecek ve aerobik heterotroflar seçilecektir. Dolayısıyla bir elektron verici ve elektron alıcının mevcut olması durumunda mikroorganizmaların seçilmesi oldukça kolay olup elktron vericinin kullanılmasıyla oluşan enerji bakteri büyümesi için kullanılır. Birçok elektron verici organik için, farklı prokaryotlar farklı elektron alıcı kullanırlar. Bu mikroorganizmalar, ortamda farklı elektron alıcılarının bulunması durumunda aynı substrat (elektron verici) için yarışırlar. Bir mikroorganizmanın aynı elektron verici için yarıştığı ve kendine en yakın rakibi tamamen elektronları alıcıya aktarılmasıyla ortaya çıkacak olan enerjiye bağlıdır. Organik maddenin elektron verici olarak kullanılması durumunda en yüksek enerji oksijenin elektron alıcısı olarak kullanılması durumunda olur. Dolayısıyla, aerobikler önemli bir avantaja sahiptir.



31

Ortaya çıkan enerji kullanılacak olan elektron alıcıya bağlı olup, verilen sırayla ortaya çıkacak olan enerji azalmaktadır; O2 > NO3

- > SO4 > CO2 Organik madde oksidasyonuyla oluşacak olan elektronların en çok enerji üreten elektron alıcı tarafından tüketilmemesi şartıyla, farklı elektron alıcıları kullanan mikroorganizmalar beraber bulunabilirler. Seleksiyonda sadece elektron alıcı ve vericinin bulunması önemli değildir. Ayrıca, bakterilerin reaktörde tutulabilmeleri için yumak veya biofilm oluşturmaları geremektedir. Bazı mikroorganizmalar birçok organiği elektron verici olarak kullanabilir. Ayrıca farklı elektron alıcıları da kullanabilir. Örneğin Pseudomonas grubu çok farklı organikleri elektron kaynağı olarak kullanabilir. Böylece çok farklı ortamda yaşayabilir. Benzer olarak sülfat indirgeyen bakteriler sülfat olmaması durumunda fermantasyon yaparak canlı kalabilir. Böylece sülfat indirgeyen bakteriler hemen hemen her ortamda bulunabilir. Materyallerin Değişimi Canlı kalmak ve seleksiyonda başarılı olmak için en önemli stratejilerden biri; farklı bakteri grupları arasında materyal değişimidir. Materyal değişimi üç şekilde olur; substrat değişimi, genetik materyal değişimi ve kominikasyon sinyal değişimi. Substrat değişimi: Mikroorganizmaların bir besin zinciri vardır. Şekilde gösterilmiş olup; besi zincirinin en üstünde birincil üreticiler vardır. Bitki ve algler güneş ışınlarını kullanarak organik madde oluştururlar. Birincil tüketiciler direk olarak birincil üreticileri tüketirler. İkincil ve 3. tüketicilerde mevcuttur. Bir seviyeden diğerine geçişte toplam canlı kütlesi azalır. Fakat genellikle tekil olarak canlıların fiziksel boyutları artar. Örnek olarak predation. Predation’da protozoa ya da basit kurtçuklar bakterileri, algleri, siyanobakterileri tüketirler. Bu durumda protozoa küçük hücrelileri tüketir ve onları besin olarak kullanırlar. Predation da dolayısıyla tüm hücre değişim materyalidir. Fakat birçok mikrobiyal ekosistemlerde tüm hücre değişim materyali değildir. Daha çok bir bakterinin ürettiği bir molekül diğer bir bakteri tarafından kullanılabilir. Böylece her iki bakteri de bu durumdan fayda görür. Böylece tüm hücre değil sadece üretilen bir molekül diğer bakteri için değişim materyalidir. Değişim materyalinin üç karakteristiği vardır; serbest bırakılan CO2’nin ototrofik bakteriler tarafından alınması kısmen oksitlenmiş organik maddelerin değişimi, inorganik maddelerin değişimi. Ototroflar ve kemoototroflar CO2 kullanarak hücre üretirler. Ayrıca ototroflar büyürken organik molekülde ortama salabilirler. Böylece ortama salınan çözünmüş organik moleküller heterotrofik bakteriler tarafından kullanılabilir. Ototroflar gibi heterotroflarda büyürken çözünmüş organik ortama salarlar. Buna çözünmüş mikrobiyal ürünler denir. Ortama bırakılan soluble microbiyal product lar diğer heterotroflar tarafından besin kaynağı olarak kullanılabilirler. Organik ara ürünlerin üretilerek paylaşılması ikinci önemli değişimidir. Örneğin fermantasyonun gerçekleştiği ortamda faklı ara ürünler oluşur. Örneğin; fermantasyonla glikoz, H2 ve asetata dönüşür. Bunlar da metan bakterileri tarafından kullanılır. Buna



32

synerjistik ilişki denip, ortamdaki bütün mikroorganizmalar bu durumdan olumlu etkilenir. Elektron verici maddelerin mikroorganizmalar arasında paylaşıldığı duruma “syntrophy” denir. Çoğu anaerobik sistem zorunlu syntrofik olup birçok bakteri grubu bulunur ve her bakteri grubunun varlığı başka bakteri grubuna bağlıdır. Ayrıca bir grup için elektron verici madde, diğeri için elektron alıcı olarak kullanılabilir. Örneğin anaerobik ortamda Fe+3 ve sülfat elektron alıcı olarak kullanılır ve oluşan H2S ve Fe+2 de aerobik ortamda elektron verici olarak kullanılır.(Tablo 1.15) Materyallerin değişimi için oxidizing ve reducing koşulların zamana ve ya mekana bağlı olarak değişmesi gerekir. Stabilizasyon havuzlarında gündüz alg aktivitesiyle O2 üretilir ve oksitleyen şartlar hakimdir. Gece ise O2 üretimi durur ve reducing koşullar hakimdir. Biyofilm reaktörlerde ise yumağın farklı noktalarında elektron alıcı konsantrasyonu düşük olup mekana bağlı olarak oxidizing veya reducing koşullar hakim olur. Genetik bilgilerin değişimi: Mikroorganizmalar üç yol ile genetik bilgi değişimi yapabilir; conjugation, transformation ve transduction. Bunlardan en önemlisi conjugation dır. Kısaca conjugation, Plazmid DNA’nın replikasyonu ve bir hücreden diğerine aktarılmasıdır. Conjugation sonunda her iki hücre de plazmide sahip olur. Plazmid alan hücreye trans conjugant denir. Plazmid DNA özel genlere sahip olup; toksisiteye dayanıklık bazı toksik organiklerin biyodegradasyonu için gereken genler içerir. Transformation ise serbest DNA’nın bir bakteri tarafından alınarak kromozoma yerleşmesidir. Her zaman serbest DNA alınarak kromozoma entegre edilmez. Entegre edilmeyen DNA hızlıca parçalanır. Transdüksyon (transduction) ise; DNA’nın bir hücreden diğerine bakteriofajlar ile aktarımıdır. İlk olarak bakteriphage DNA verici bakteriyi enfekte eder ve onun DNA’sının bir kısmı kendi DNA’sına aktarır. Daha sonra virüs DNA’sı bulaşılan bakteri içinde çoğaltılır. Bakterinin parçalanmasıyla beraber donor bakterinin DNA’sını içeren faj serbest kalır. Faj’ın diğer bir bakteriyi enfekte etmesiyle donor DNA alıcı bakteriye eklenmiş olur. Büyüme Faktörleri: Bazı prokaryotlar büyümeleri için; aminoasit, yağ asidi veya vitamine ihtiyaç duyarlar. Örnek olarak; vitamin B12, thiamine, biotin, riboflavin ve folic asit. Normal olarak bu büyüme faktörleri diğer mikroorganizmalar tarafından ortama verilir. Kimyasal Sinyallerin Değişimi: Bazı özel durumlarda, mikroorganizmalar kimyasal sinyaller alırlar. Bu sinyal moleküller hücre membranı üzerinde bir alıcıya bağlanarak fizyolojik bir tepki oluşturur. ADAPTASYON Komplex yapılarından dolayı mikrobiyal ekosistemlerler çevresel koşulların değişmesine tepki verir. Örneğin; sıcaklık, pH, tuzluluk, toksik madde gibi değişkenler bakteri üzerinde stres oluşturur. İşte bakteri topluluğunu bu strese cevap vermesi ve başa çıkmasına “adaptasyon” (adaptation) denir. Ayrıca, aynı anlama gelen acclimation da kullanılabilir. Adaptasyon ile bakteri bu stresi elemine etmenin bir yolunu bulur veya strese rağmen bakteri fonksiyonunu sürdürür. Adaptasyon peryodu; bakteri topluluğunun strese ilk ekspoz olduğu zaman ile adapte olduğu zaman arasındaki zaman dilimine denir. En genel ve en önemli örnek; toksik ve xenobiotic bir kimyasala adaptasyondur. Adaptasyon periyodu sırasında çok az ya da hiç giderim olmaz.



33

Bakteri kültürüne ve kimyasala bağlı olarak adaptasyon süresi birkaç saatten birkaç aya kadar değişebilir. Adaptasyon periyodu sonunda bakteri topluluğu xenobiotiği hızlıca kullanır. Bakteri topluluğu 5 önemli adaptasyon mekanizmaların bir veya bir kaçını kullanarak adapte olur. Bu mekanizmalar;

1. Selektive enrichment (seçici zenginleştirme)

2. Enzyme regulation

3. Genetik bilginin değişimi

4. Kalıtsal genetik değişim

5. Yaşama ortamının değişimi

Seçici zenginleştirmede; stresten fayda sağlayan bakteri daha çok büyüyecek ve toplam bakteri topluluğunda daha çok yer tutacak. Zor parçalanan bir maddeye maruz kalma durumunda ise; bu toksik maddeyi gideren ve ondan enerji sağlayabilen bakteri grubu çoğalarak dominant olacaktır. Yine toksik bir maddeye maruz kalma durumunda bu toksik maddeye dayanabilen bakteri grubu ortama dominant olur. Bazı mikroorganizmalar düşük substrat konsantrasyonunda yaşarlar. Reaktör düşük bir hızda sürekli beslenirse hız limitleyen (genelde elektron verici) substrat çok düşük seviyelerde kalır. Bu tip reaktörlerde dominant olan bakteriler düşük substrat tüketim hızına sahip olup substrat adinitesi yüksektir. Bu bakterilere oligotrof denir ve oldukça düşük K değerine sahiptir. Yüksek hızda beslenen reaktörlerde ise tersine yüksek büyüme hızına ve yüksek K değerine sahip bakteriler gelişir. Bu bakterilere “copiot rophic” denir. Bu tür bakteriler feast ve famire besleme sistemine (SBR) kendilerini adapte edilebilir. Genellikle feast beslemede hızlıca gelişir ve substratın bir kısmını depolar. Böylece famine dönemde depo ürünlerini kullanarak sabit bir hızda büyür.

• Seçici zenginleştirmede en önemli gösterge bakteri kompozisyonunun önemli değişimesidir. Eğer adaptasyon sırasında bakteri kompozisyonunda önemli bir değişiklik gözlenirse “seçici zenginleştirme” rol oynamıştır denebilir.

• Adaptasyonda en önemli mekanizma “seçici zenginleştirme” dir.

Enzim regulasyonu ise; bakteri kompozisyonunda önemli bir değişiklik olmadan adaptasyondur. Enzim regulasyonu ancak uygun bakteri grubunun yeterli konsantrasyonda ortamda mevcut olması ve oluşacak olan stresin üstesinden gelmek için gerekli enzimlerin bakteri DNA’sında kodlanması durumunda olur.

Enzim regulasyonu ile adaptasyon, seçici zenginleştirmeye göre daha kısa zamanda gerçekleşir. Enzim regulasyonu ile adaptasyon birkaç saat içinde gerçekleşebilir. Üçüncü adaptasyon mekanizması ise; genetik materyalin değişimidir. Bu; conjugation, transformation ve transduction ile gerçekleşir. En önemlisi ve en hızlısı conjugation dır. Conjugation da kritik genetik bilgi tüm kominiteye hızlıca (saat ve ya gün) yayılır. Genetik bilginin değişimiyle adaptasyon da bakteri kompozisyonunda bir değişim olmayabilir.



34

Kalıtsal genetik materyalin değişimi (bozulması) ise mutasyon, deplikasyon veya rekombinasyon yolu ile olur. Değişim etkilenen bakteri için kalıcıdır ve kompozisyonda evrim gerçekleşir. Çoğunlukla genetik bilgideki bu bozulma her zaman olmaz ve gelişigüzel bir olaydır. Dolayısıyla bu yolla adaptasyon çok zaman alır ve nadiren gözlenebilir. Kolay parçalanabilen organik maddelerin giderimi oldukça çalışılmıştır. Glikoz kolay parçalanabilen organik madde olup, çoğu zaman diğer organiklerin tüketilmesi için gerekli enzimleri repress (engellemek) eder. Bu durumda “diaxie” gözlenir. Bunun dışında, xenobiotics ler kolay parçalanabilen organik maddelerin giderimini inhibe edebilir. Dolayısıyla çevre biyoteknolojisinde inhibisyon içeren kinetik denklemlerin kullanımı oldukça yaygındır. Anaerobik mikroorganizmalar, kolay parçalanabilen elektron vericilerin olması durumunda klorlu organik bileşikleri indirgeyebilirler. Bu durumda klorlu organik bileşikler elektron alıcısı olarak kullanılır. Buna reductive dechlorination denir. Klorlu organik maddeler bu yolla klorsuzlaştırılarak elektron verici olarak kullanılabilecek duruma gelebilir. Bazı durumlarda bazı bakteri gruplarının lysis (ölümü) sonucu ortama nütrient ve growth factor salınabilir. Bunun sonucunda bazı bakteri gruplarının büyümesi hızlanabilir. Heterotrofik büyüme inorganik karbon salar ve bu inorganik karbon ototroflar tarafından kullanılabilir. Benzer olarak ototrofik büyüme sonucunda organik substratlar salınabilir ve bu da heterotrofik büyümeyi hızlandırabilir. Ortamda birden fazla elektron alıcısının bulunması durumunda sıralı tüketim genellikle gözlenir. Sıra ise; termodinamik olarak en çok enerji açığa çıkaran alıcıdan, en az enerji açığa çıkaran alıcıya doğrudur. Dolayısıyla metanojenik aktivitenin başlayabilmesi için öncelikle O2, NO3

- , SO4-2, Fe+3’ün tüketilmesi gerekir.

Bazı durumlarda bazı bakteri gruplarının aktiviteleri sonucunda ortamın pH sı değişebilir. Bu pH değişimi bir grup bakterinin dominant olmasına yol açabilir. Ortam pH, redox, nütrient koşullarının değişimi toksisiteyi azaltabilir. Örnek olarak metallerin hidroksi karbonat, sülfür ile çökelmeleri metal toksisitesini azaltacaktır. Ayrıca organik xenobiotic lerin biotransformasyonu da toksisiteyi azaltır. Tablo 1.16’ da adaptasyon mekanizmaları ve durumları verilmiştir. Adaptasyon tam olarak anlaşılabilmiş bir proses değildir. Çalışmalar devam etmekle beraber yeni moleküller metotların bulunmasıyla bu konudaki bilgimiz artmaya devam etmektedir. Adaptasyon çeşidine bağlı olarak mikrobiyal popülasyon çok farklı şekilde değişebilir. Fakat bu durumlarda mikrobiyal topluluğun fonksiyonu çok ciddi olarak değişse de bakteri çeşitliliği (community structure) çok fazla veya hiç değişmemektedir.(Tablo 1.16) Mikrobiyal Enerji Çalışma Metotları 21. yy da moleküler biyolojik tekniklerin çevre biyoteknolojisine adaptasyonuyla beraber çok önemli gelişmeler olmuştur. Bunlardan en önemlisi mikroorganizmalar ve mikroorganizmaların gerçekleştirdiği reaksiyonlar hakkında daha fazla bilgi sahibi olmamızdır. Böylece aşağıdaki 3 soruya moleküler biyolojik teknikler ile cevap bulabilmekteyiz.



35

1. Hangi mikroorganizmalar ortamda mevcuttur?

2. Hangi metabolik reaksiyonları gerçekleştirebilirler?

3. Hangi metabolik reaksiyonları gerçekleştirmekteler?

Bu bölümde ilk olarak geleneksel bir yöntem olan zenginleştirmeden bahsedilecek. Daha sonra moleküler biyolojiden adapte edilen yeni metotlardan ve son olarak da yeni gelişen bir alan olan ve mikrobiyal ekoloji çalışmalarında kullanılan multi species mathematical modeling anlatılacak.

Geleneksel Zenginleştirme Metodu

Pek çok yıldır mikrobiyolojistler mikrobiyal komünite hakkında bilgi sahibi olabilmek amacıyla tek bakteri türleri izole ederek, fenotip karakteristiklere göre bakterileri tanımlamya çalışmışlardır. Örneğin; nitrifikasyon bakterilerini zenginleştirmek için NH4 ve bikarbonat içeren besin ortamı hazırlanarak aerobik ortamda zenginleştirme yapılabilir. Şekilde görüldüğü üzere peş peşe seyreltme yöntemi kullanılarak oldukça seçici bir besin kullanılmasıyla sadece nitrifikasyon yapan bakteriler seçilebilir. Başka elektron alıcı bulunmadığı için nitrifikasyon yapan bakteriler dışındaki tüm bakteriler elemine edilmiş olacaktır. Tek bir bakteri kültürü elde etmek için gerekli zaman ve seyreltme faktörü aşağıdaki değişkenlere bağlıdır.

1. Başlangıç kültürünün kompleksliği

2. Seçilen bakterinin büyüme hızı

3. Büyüme ortamı

4. Başlangıç kültürünün konsantrasyonu

Bazı durumlarda bakteriler arasında synerjistik ilişki olup, saf kültür elde etmek imkansızdır.

Pure (saf) kültür elde edildikten sonra bu kültür üzerinde genetik (DNA ve rRNA baz sırası) metabolik potansiyeli optimum pH ve sıcaklık gibi çalışmalar yapılabilir. Yıllarca saf bakteri kültürleri ve komünite analizi çalışmalarında zenginleştirme yöntemi kullanıldıysa da bu yöntemin üç önemli dezavantajı vardır.

1. Enrichment için mikroorganizmalar hakkında ve yaşam koşulları hakkında ön bilgi gereklidir.

2. Synerjistik yaşamaya ihtiyaç duyan mikroorganizmalar hiçbir zaman izole edilemeyebilir.

3. Çoğu önemli bakteri çevresel koşullarda oligotroph olarak yaşarken zenginleştirme yöntemi genellikle copiotroph lar izole edilirler.



36

Örneğin; yüksek NH4-N içeren bir zenginleştirme ortamında copiotroph nitrifikasyon bakterileri zenginleşebilirken oligotroph lar daha zor gelişir. Çünkü yüksek NH4-N bulunmasıyla zaten yüksek büyüme hızına sahip copiotroph lar oligotroph lara göre daha avantajlı olur. Fakat doğal ortamda oligotroph lar daha baskın olabilir. Bu enrichment yönteminin önemli bir dezavantajıdır.

Limitasyonlarına rağmen klasik zenginleştirme yöntemi sonuçlar doğru veya uygun yorumlandıkça önemli bilgi verebilirler.

Moleküler Metotlar

Klasik zenginleştirme yönteminin dezavantajlarını yenebilmek için moleküler metotlar geliştirilmiştir. Klasik yöntemlerde fenotipik özelliklere bakılırken moleküler metotlarda ise bakterilerin DNA veya rRNA baz sırasına bakılır.

Eğer community structure anlamak istenirse farklı organizmaları belirlemek ve saymak gereklidir. Bunun için en genel yöntem kalıtsal genetik bilgileri belirlemektir. Bu amaçla SSU rRNA genelde kullanılır. Oligonükleotide prop yöntemi en yaygın yöntemdir. Oligonükleotide prop 15-20 baz uzunluğunda tek iplikçikden oluşan bir DNA parçasıdır. Bu prop sadece belirli bir grup bakterinin DNA sının bir kısmının tamamlayıcısıdır. Prop eklenirse bazı özel şartlarda prop kendini tamamlayıcı ve sadece bazı bakteri gruplarında bulunan DNA parçasına yapışır. Daha sonra hibridize olmayan DNA parçaları yıkanarak atılır. Sadece istenilen bakteri DNA sına hibridize olanlar atılmazlar. Özel yöntemlerle bu DNA parçacıkları bakteri DNA sında gözlemlenerek toplam bakteri içerisindeki sayısı belirlenebilir.

Oligonükleotide hybridization iki yöntemle gerçekleştirilir. İlki, slot blotting denen yöntemdir. Bu yöntemde ilk olarak RNA numuneden extract edilir. Extraksiyonda fenol ve kloroform kullanılır. Daha sonra RNA alkol ile çöktürülür. RNA peletleri tekrar süspansiyona alınır ve denature edilir. 32P içeren oligonükleotide proplar hibridization buffer ile bir gece boyunca RNA peletleriyle temas ettirilir. Daha sonra membran yıkanır( sıcaklık kontrollü olarak) kurutulur ve radyoaktiflik için analiz edilir.

Oligonükleotide probun kullnıldığı ikinci yöntem ise; Fluorescence insitu hybridization ya da FISH yöntemidir. FISH ile slot blotting arasındaki en önemli fark; FISH’de oligonükleotide prop özel bir molekül ile işaretlenmiş olup flourescence mikroskobu ile izlenir. Bu özel madde özel bir dalga boyunda ışık saçar ve mikroskop ile gözlenir. İkinci önemli fark ise FISH yönteminde hücrenin RNA’sı extract edilmez. Hücre sabitlenir ve probun içeriye girebilmesi için gözenekli hale getirilir. FISH yöntemiyle bakteriler parçalanmadığı için yöntem bakterilerin birbirine olan konumları hakkında da bilgi verir.

FISH’ın diğer özellikleri slot blotting e benzemektedir. Benzer olarak işaretleniş proplar hücre DNA’sına eşleşmeli olarak yerleşir ve bağlanmayan proplar dikkatlice seçilen bir sıcaklıkta yıkanarak uzaklaştırılır.

Community structure hakkında bilgi kromozomal DNA kullanılarak da elde edilebilir. Bu yöntemde DNA RNA gibi ekstrat edilir. Daha sonra spesifik primerler kullanılarak SSU rRNA’yı kodlayan ve DNA’da bulunan gene Polymerase chain reactor kullanılarak çoğaltılır. Çoğaltılan DNA bir membran üzerinde sabitlenerek istenilen oligonükleotide proplar ile hibridize edilir.



37

Oligonükleotide prop yönteminin en önemli dezavantajı ise; bu yöntem sadece izole edilen ve SSU rRNA’sı bilinen bakteri grupları için kullanılabilir. Fakat mikrobiyolojistlere göre sadece bakterilerin çok az bir kısmı izole edilmiştir. Dolayısıyla mikrobiyal community için “Fingerprint of the community’s diversity” hakkında bilgi verecek moleküler tekniklere ihtiyaç vardır.

Bazı durumlarda bir veya grup halindeki bakterilere spesifik katabolik genleri kodlayan DNA parçacığı içinde prop dizayn edilebilir. Örneğin; sülfat indirgeyen bakterilerin belirlenmesi için dissimilatory bisulfote reductase genini kodlayan DNA parçacığı için prop dizayn edilebilir.

Community fingerprinting için en çok kullanılan metot denaturing gel elektrophoresis dir. Bu metot da extract edilmiş ve PCR ile çoğaltılan DNA DGGE kullanılarak ayrılır ve bakteri topluluğunu oluşturan her bir bakteri belirlenmiş olur. DGGE’de polycrylamide jel kullanılır. DNA bir uçtan yüklenir.gelin her iki ucunda elektrot olup bir elektriksel alan oluşturur. DNA’nın yüklendiği ucun karşısında pozitif elektrot olup negatif yüklü DNA pozitif yüke ( elektroda) doğru hareket eder.

Acrylamide jel öyle hazırlanırki sürekli olarak bir gradyana sahip denaturing ajan bulunur. Bu amaçla üre + formamide kullanılır. DNA pozitif yöne doğru hareket ederken daha yoğun bir denaturing ortamıyla karşılaşır. DNA’nın G+C içeriğine bağlı olarak denature olur ve farklı baz sırasına sahip DNA parçacıkları farklı noktalarda durur. Böylece bakteri komminitesine sahip finger printing elde edilmiş olur.

DGGE işleminden sonra bantlar jel üzerinden kesilerek yeniden PCR ile çoğaltılır ve sequencing yapılır. Bulunan DNA dizisi data banklarla kıyaslanarak bakteri ve filojenik ağaç elde edilir. Ayrıca bu DNA sırası kullanılarak oligonükleotide proplar dizayn edilebilir. DGGE’de en çok SSU rRNA kullanılır.

BÖLÜM 2

Stokiyometri ve Bakteriyal Enerjitik

Biyolojik arıtım sistemlerinin dizaynında belki de en önemli konsept kütle dengesi (mass balance)’dir. Belli miktarda bir atık için kütle dengesi kurularak mikroorganizmaların ihtiyaç duyduğu enerji nütrient ve çevresel gereksinimler hesaplanabilir. Ayrıca üretilen son ürün miktarı da hesaplanabilir. Örneğin O2 ihtiyacı metan üretimi azot ve fosfat gereksinimi, pH ayarı ve kimyasal denklemler stkiometri ye dayanılarak yazılır. Mikrobiyal sistemlerde genellikle birden fazla kimyasal oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarına girer. İkinci olarak mikroorganizmaların iki rolü vardır. Mikroorganizmalar reaksiyonlarda hem kataliz hem de reaksiyonun bir ürünüdür. Üçüncü olarak mikroorganizmalar kimyasal reaksiyonlar gerçekleştirerek enerjinin bir kısmını hücre sentezi bir kısmını da hücre aktivitesini korumak için kullanır. Bu nedenle reaksiyon enerjitik, element dengesi, elektron dengesi ve yük dengesi göz alınmalıdır.

Bu bölümde, element, elektron, yük ve enerji dengelerini içeren stkiyometrik denklemlerin yazımı üzerinde durulacaktır.

2.1. Stokiyometrik Denkleme Bir Örnek

İlk stokiyometrik denklemlerden biri 1956 yılında Cazein içeren atıksuyun oksidasyonu için yazılmıştır.



38

ATIKSU:

C8H12O3N2 + 3O2 → C5H7NO2 + NH3 + 3CO2 + H2O

184 96 113 17 132 18

1000 kg/gün kazein gideriminde; 520 kg/gün O2 verilmelidir. Ayrıca 610 kg/gün atık çamur oluşmaktadır. Dolayısıyla elde edilen denklem ile gerekli O2 ve üretilecek atık çamur miktarı tahmin edilebilir. Kazein kompleks protein içeren bir karışım olup C8H12O3N2 amprik bir denklemdir. Kütle dengesine göre kazein hem elektron verici hem de bakteriler için bir organik karbon kaynağıdır. Kazein elektron verici olarak kullanılarak tam olarak oksitlenir ve CO2 üretilir. Bir kısım kazein ise hücre içine alınarak yeni bakteri hücresi halini alır.

C5H7O2N bakteriyi temsil etmekte olup Porges (1956) bu denklemi önermiştir. Buradaki dört element dışında bakteri P, S, Fe gibi elementleri içerse de kolaylık için bu 4 elementin dışındakiler ihmal edilmiştir. Genel olarak bakteri hücresi %2 P içerir. Dolayısıyla 1000 kg kazein içeren su arıtımı için 0,02 (610) ≈12 kg/gün P fosfata ihtiyaç duyulur. Benzer olarak farklı kimyasallar için benzer stokiometrik denklemlerin yazılması için üç önemli noktanın bilinmesi gerekmektedir.

1. Hücrenin amprik formülü

2. Elektron verici madde enerji üretimi ve sentez arasında nasıl paylaşılır?

3. Elektron verici katabolik ve anaerobik reaksiyonlarda nasıl paylaşılır?

2.2 Mikrobiyal Hücre İçin Amprik Denklem Daha önce hücre denklemi C5H7NO2 olarak verildi. Fakat, hücrenin denklemi birçok faktöre bağlıdır. Mikroorganizmanın karakteristiği, enerji için kullanılan substrat, mikroorganizmalar için gerekli nütrient miktarı ve çevresel koşullar gibi. Eğer hücre azot içeriği az olan bir ortamda büyürse oluşacak hücrede daha çok yağ asidi ve karbonhidrat üreterek hücrenin N içeriği bir miktar düşecektir. Tablo 2.1 çeşitli çalışmalarda bulunan hücre denklemlerini göstermektedir. Hücrenin N içeriği 6-15 arası olup ortalama %12 dir. Farklı bakteri hücre denklemlerini kıyaslamak için bakterinin tam oksidasyonu için gerekli O2

miktarları hesaplanabilir. C5H7NO2 için bu değer; 1.42 g COD/g bakteri dir.

C5H7NO2 + 5O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 113 5*32 COD/weight = 32*5/113=160/113 = 1.42 gCOD/ g bakteri

2.3. Substratın Paylaşımı ve Hücre Üretim

Mikroorganizmalar elektron verici bir maddeyi oksitleyerek üretilen enerjinin (elektronun) bir kısmını elektron alıcıya (fe0) göndererek enerji üretir. Elektron verici maddenin bir kısmı ise hücre sentezi (fs0) için kullanılır. Şekilde bu durum gösterilmiş olup fe0 + fs0= 1’ dir.



39

Hücre çürüyebilir ve fs0 daki bazı elektronlar elektron alıcıya aktarılarak daha fazla enerji üretilir. Diğer kısmı ise aktif olmayan hücre kalıntısına dönüşür. Elektron verici maddenin katabolik ve anabolik reaksiyonlar arasındaki paylaşımı e- eq olarak verilir. Eğer hücre üretimine aktarılan kısım kütle olarak verilirse buna (true yield) dönüşüm katsayısı denir.

Eğer hücre C5H7NO2 ile ifade edilirse ve amonyum azot kaynağı olarak kullanılırsa Mc=113 g/mol

ne=20 e- /mol hücre C5H7NO2 + 8 H2O → 5CO2 + 20 H+ + 20 e- + NH3

20 H+ + 20 e- + 5O2 → 10 H2O

C5H7NO2 + 5O2 →5CO2 + 2 H2O + NH3 Dolaysıyla Y= 0,706 fs0 Y= g hücre /g KOİ Bakterinin bir kısmı çürüyerek tekrar enerji üretiminde kullanılır. Dolayısıyla net

dönüşüm katsayısı ,Yn < Y dir. Bu durumda yeni net dönüşüm düşünüldüğünde fs0 yerine fs; fe0 yerin de fe kullanılır. Bu durumda

fs + fe =1 ve fe > fe0 ve fs0< fs dır. dXa/dt =Y(-dS/dt)-bXa Yn=(dXa/dt)/(-dS/dt) = Y- (bXa/(-dS/dt)

ÖRNEK: 500 mg/L aktif hücre içeren bir reaktör 750 mg/L.gün gün hızında asetat tüketmektedir. Y= 0,6 g hücre /g asetat b= 0,15 gün-1 ise spesifik büyüme hızını, spesifik substrat kullanma hızını ve Yn değerlerini bulun? Yn=? dX/dt=YdS/dt – bXa dX/dt=0,6*750 mg/Lgün – 0,15 gün-1 *500 mg/L dX/dt= 450 – 75 = 375 mg/Lgün dX/dt /Xa = 375 mg/L.gün/500 mg/L = 0,75 gün-1 (dS/dt)/X0= (750 mg/L/gün)/(500mg/L)=1,5 gün-1 Yn=(dX/dt)/(dS/dt) =[(dX/dt)/Xa]/ [(dS/dt)/Xa] = 0,75/1,5 = 0,5 2.4. Enerji Reaksiyonları Mikroorganizmalar büyüme ve onarım için enerjiye ihtiyaç duyarlar. Enerji oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarından elde ederler. Fototrofik bakteriler bile güneş enerjisini kullanarak enerji elde ederken indirgenme yükseltgenme reaksiyonlarını kullanır.



40

Oksitlenme- indirgenme reaksiyonlarında bir elektron alıcı ve bir de elektron verici vardır. Genellikle elektron verici bakteriler için besin olarak kullanılan maddelerdir. Kemolitotrofik prokaryotlar ve fototrofik bakteriler dışında çoğu prokaryotlar organik maddeleri elektron verici olarak kullanır. Kemolitotrofik prokaryotlar amonyum, sülfid gibi inorganikleri enerji metabolizmasında elektron verici olarak kullanır. Prokaryotlar görüldüğü gibi oldukça farklı olmakla beraber birçok farklı besini kullanabilir. En yaygın elektron alıcı diatomik yada moleküler oksijen(O2) dir. Anaerobik ortamda NO3

-,NO2-, SO4

-2 ve CO2 gibi elektron alıcılarda kullanılabilir. Bazı durumlarda organik madde hem elektron alıcı hem de elektron verici olarak kullanılır. Bu duruma fermantasyon denir. Glikozun elektron verici olarak kullanıldığı ve farklı elektron alıcılarının kullanıldığı durumlar aşağıda gösterilmiş olup açığa çıkan enerji kullanılan elektron alıcısına bağlıdır. Açıkça mikroorganizmalar bir reaksiyondan maksimum enerji açığa çıkarmak isterler. Bu nedenle de oksijeni elektron alıcısı olarak tercih ederler. Fakat tüm bakteriler oksijeni elektron alıcısı olarak kullanamazlar ve anaerobik bakteriler oksijen varlığında aerobik bakterilerle yarışamazlar. Fakat oksijenin olmadığı durumlarda anaerobik bakteriler ortama hakim olabilir. Dolayısıyla sadece ortaya çıkan enerji düşünülür ve mikroorganizmaların elektron tercihi sırasıyla O2 > NO3

- > SO4-2 > CO2 şeklinde olur. E-koli gibi bazı mikroorganizmalar

O2, Nitrat ve organik madde (fermantasyon ) gibi birçok elektron alıcısı kullanılabilir. Fakat, metanojen gibi bazı grup organizmalar sadece metan üreten reaksiyonlar gerçekleştirmekte olup oksijen metanojenlere zararlıdır. Aerobik oksidasyon serbest enerji:kj/mol glikoz C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O -2880 Denitrifikasyon C6H12O6 + 24NO3 + 24 H+→ 30CO2 + 42H2O + 12 N2 -2720 Sülfat indirgeme C6H12O6 + 6SO4

-2+ 9H+→ 12CO2 + 12H2O + 3H2S + 3HS -492 Metanojen C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4 -428 Etanol fermantasyon C6H12O6 → 2CO2 + 2CH3CH2OH -244

Aerobik ortamda daha fazla enerji üretileceğinden fs0 ve Y değerleri aerobik ortamda daha büyüktür. Enerji reaksiyonlarını oluşturmak, mikrobiyal büyüme için stokiyometrik denklemlerin yazılması için iyi bir başlangıçtır. Bu amaçla half reaktions (yarı reaksiyonları ) yazılır. Örneğin glikoz için NO3

- elektron alıcı olarak kullanılır. C6H12O6 + 6 H2O → 6CO2 + 24H+ + 24 e- 2NO3

-+ 10e- + 12H+→ N2 + 6 H2O Her iki denklemde tek e için yazılırsa 1/24C6H12O6 + 1/4 H2O → 1/4CO2 + H+ + e-



41

1/5NO3 -+ e- + 6/5H+→ 1/10N2 + 3/5 H2O

1/24C6H12O6 + 1/5NO3 -+ 1/5H+→1/4CO2 + 1/10N2 + 7/20 H2O

Eğer denklemin her tarafı 120 ile çarpılırsa 5C6H12O6 + 24NO3

-+ 24H+→30CO2 + 12N2 + 42 H2O Tablo 2.2 ve 2.3 de bir e- için çeşitli elektron alıcılar ve vericiler için denklemler yazılmıştır. Tablo 2.3 de organikler için verilmiş olan denklemler organikler elektron verici olarak kullanıldığında ters çevrilir ve böylece elektronlar sağda yer alır. Half reaksiyonların kullanılarak elektron alıcı ve vericiler için denklemlerin nasıl yazılacağı örnek üzerinde gösterilmiştir. Aminoasit alanine için yazılmıştır.

3CO2 + NH3 + 12 H+ + 12 e- → CH3CHNH2COOH + 4H2O Bir elektron için yazılırsa 1/4CO2 +1/12 NH3 + H+ + e- → 1/12CH3CHNH2COOH + 1/3H2O

İnorganiklerin oksidasyonunda da benzer metot kullanılır. Öncelikle bu inorganiğin oksitlenmiş ve indirgenmiş formlarını bilmek gerekmektedir.

Kromat için (CrO4-2)

Cr+6 den Cr+3 e indirgenirken elektron alır. CrO4

-2 + 3e- + 8H+ → Cr+3 + 4H2O +6 +3 Bir elektron için yazılırsa ; 1/3CrO4

-2 + e- + 8/3H+ →1/3 Cr+3 + 4/3H2O Bakteri oluşumu için 5CO2 + 20H+ + 20 e- + NH3→ C5H7NO2 + 8H2O Bir elektron için yazılırsa 1/4CO2 + H+ + e- +1/20 NH3→ 1/20 C5H7NO2 + 2/5H2O Eğer NH4

+ azot kaynağı olarak kullanılırsa 4CO2 + NH4

+ + HCO3 + 20H+ + 20e- → C5H7NO2 + 9H2O Bir elektron için yazılırsa 1/5CO2 +1/20 NH4

+ + 1/20HCO3 + H+ + e- →1/20 C5H7NO2 + 9/20H2O Atıksudaki organikler için kullanılan formül en basit olarak CnHaObNc olarak verilir. Organikler ayrıca P ve S de içermekte olup istenirse bunlarda eklenecektir. Toplam oksitlenme – indirgenme reaksiyonları göz önüne alınarak tüm toplam reaksiyon yazılabilir. Alanine için metanojenik reaksiyon yazılırsa

Ra: 1/8CO2 + H+ + e-→ 1/8 CH4 + 1/4 H2O -Rd: 1/12CH3CHNH2COOH + 5/12 H2O→1/6 CO2 + 1/12 NH4

+ +1/12 HCO3-+ H+ + e –

Re: 1/12 CH3CHNH2COOH + 1/6 H2O→1/8 CH4 + 1/24 CO2+ 1/12 NH4+ + 1/12 HCO3

-



42

ÖRNEK: Bir endüstriyel atıksu 100 mL alanine içermektedir. Eğer tüm karbon enerji için kullanılır ve bakteri üretimi ihmal edilirse oluşacak gaz kompozisyonu ve çıkış suyundaki amonyum ve bikarbonatı hesaplayın.

1/12 CH3CHNH2COOH + 1/6 H2O → 1/8 CH4 + 1/24 CO2+ 1/12 NH4

+ +1/12 HCO3-

Oluşacak gazda CH4, CO2 nin 3 katı olup %75 CH4 %25 CO2 mevcuttur. 100 mM alanine de 100 mM NH4 üretilir ve 1400 mg/lt NH4-N amonyum azotu atıksuya verilecektir. Ayrıca 5000 mg/L CaCO3 alkalinite artacaktır. Böylece üretilen bikarbonat pH yı nötral değerlerde tutmaya yardım edecektir. Negatif yükü olan organik maddelerin oksidasyon denklemlerinin yazımında HCO3

- yük dengelenmesi için kullanılabilir. Pyruvate için;

1/5CO2 + 1/10 HCO3- + H+ + e- → 1/10 CH3COCOO- + 2/5 H2O

Ayrıca HCO3

- azot kaynağı olarak NH4+ yada organik anyonlar kullanıldığında yük dengesi

için kullanılır. CH3CHNH2COOH için NH3 yada NH4+ un azot kaynağı olması durumunda denklemleri yazalım. Bazı durumlarda farklı denklem formları yazılabilir. Denklemde bütün elementler eşleştikten sonra bir problem yoktur. (bknz sayfa 140 denklem 2.22 - 2.25)

NH3 3CO2 + 12H+ + 12e- +NH3 → CH3CHNH2COOH + 4 H2O Bir elektron için yazılırsa 1/4CO2 + H+ + e- + 1/12NH3 → 1/12 CH3CHNH2COOH + 1/3 H2O NH4

+

NH4

+ + HCO3- + 2CO2 + 12H+ + 12e- → CH3CHNH2COOH + 5 H2O

Bir elektron için yazılırsa 1/12NH4

+ +1/12 HCO3- + 1/6CO2 + H+ + e- → 1/12 CH3CHNH2COOH + 5/12 H2O

2.5. Biyolojik Büyüme İçin Toplam Denklemlerin Yazılması Bakteriyel büyüme iki temel reaksiyon içerir. Biri enerji üretimi diğeri ise hücre sentezidir. Elektron verici elektron üretir ve bu elektronlar elektron alıcısına gelerek enerji üretilir. Bu kısım yukarıda incelendi. Ayrıca sentezinde denklemlere konulması gerekir. Bunu yapabilmek için elektron vericisinden üretilen elektronların ne kadarının enerjiye ne kadarının sentez aktarıldığını bilmek gereklidir. Bunu yapmak için öncelikle hücre sentezi için yarı denklemin bilinmesi gerekir. Tablo 2.24 de çeşitli azot kaynakları için yarı denklemler verilmiştir. Azot protein ve nükleik asit sentezi için kullanılır. Amonyum en tercih edilen azot kaynağıdır. Amonyum olmadığı durumda diğer azot kaynakları kulanılabilir. Örneğin, benzoat ın karbon kaynağı olduğunu düşünelim. Nitrat elektron alıcı olarak amonyumda hücre sentezi amacıyla kullanılsın. Net – dönüşüm göz önüne alınarak elektronların %40 nın hücre sentezi(fs=0,40) için %60 nın ise enerji ( fs=0,60) için kullanıldığını düşünelim.



Öncelikle genel enerji ve sentez denklemleri yazılır. Elektron vericiye ait yarı reaksiyon Rd ile gösterilir.elektron alıcıya ait denklem ise Ra ile, hücre sentezine ait denklem ise Rc ile gösterilir. Dolayısıyla enerji denklemi

Re=Ra-Rd Sentez denklemi Rs=Rc-Rd olur. Rd “-“ işaretini alır. Çünkü elektron verici oksitlenecektir. Buna göre benzoatın

oksitlenmesinde Ra:1/5 NO3

- + 6/5 H+ + e-Rd: 1/30C6H5COO- + 13/20 HRe: 1/30C6H5COO- + 1/5 NO Benzer olarak ; Rc: 1/5 CO2 +1/20NH4

-Rd: 1/30C6H5COO- + 13/20 H Rs: 1/30C6H5COO- + 1/20NH İkinci olarak sentez ve enerji denklemlerinin birlefe ile Rs denklemi fs ile çarpılarak toplanır. fe*Re: 0,02C6H5COO- + 0,12 NOfs*Rs: 0,0133C6H5COO- + 0,02 NHR: 0,0333 C6H5COO- + 0,12 NO0,12 CO2 + 0,0133 HCO3

- + 0,1067 H Buna göre 1 mg/L NO3

- gidermek için gerekli benzoatı KObenzoatın KOİ sini hesaplayalım. C6H5COO- + H+ + 15/2 O 121 240 208/121 1,98 mg KO Denkleme göre 0,0333*121mg benzoat *1,98 mg KO

Eğer hücre büyümesi olmaz ve tüm elektron sadece enerjiye dolayısıyla elektron alıcısına giderse;

(1/30 *121 *1,98) / (1/5 *14) = 2,85 mg KO Dolayısıyla denitrifikasyonda Y dearttıkça denitrifikasyon için gerekli karbon veya KOdenklemi kullanılarak yani büyaşağıdaki gibi bulunabilir.

NO3

- + 6H+ + 5e- → 1/2 N

Ders Notları

Öncelikle genel enerji ve sentez denklemleri yazılır. Elektron vericiye ait yarı reaksiyon Rd ıya ait denklem ise Ra ile, hücre sentezine ait denklem ise Rc ile

gösterilir. Dolayısıyla enerji denklemi

aretini alır. Çünkü elektron verici oksitlenecektir. Buna göre benzoatın

+ e- → 1/10N2 + 3/5 H2O + 13/20 H2O → 1/5 CO2 + 1/30 HCO3

-+ H+ + e+ 1/5 NO3

- + 1/5 H+ → 1/5 CO2 + 1/30 HCO3 + 1/10N

4 + 1/20 HCO3 + H+ + e- → 1/20 C5H7NO2 + 9/20 H+ 13/20 H2O→ 1/5 CO2 + 1/30 HCO3+ H+ + e

+ 1/20NH4 + 1/60 HCO3 → 1/20 C5H7NO2 + 1/60 H

kinci olarak sentez ve enerji denklemlerinin birleştirilmesi gerekir. Bunun için Re denklemi lemi fs ile çarpılarak toplanır.

+ 0,12 NO3- + 0,12 H+ → 0,12 CO2 + 0,06 N2+ 0,02 HCO

+ 0,02 NH4 ++ 0,0067 HCO3→ 0,02 C5H7NO2 + 0,0067 HCO

+ 0,12 NO3- + 0,02 NH4

++ 0,12 H+ → 0,02 C5

+ 0,1067 H2O

gidermek için gerekli benzoatı KOİ cinsinden bulalım. Önce sini hesaplayalım.

+ 15/2 O2 → 7 CO2 + 3 H2O 240

1,98 mg KOİ/ mg benzoat

Denkleme göre 0,0333*121mg benzoat *1,98 mg KOİ/ mg benzoat / 0,12 mg NO =4,75 mg KO

er hücre büyümesi olmaz ve tüm elektron sadece enerjiye dolayısıyla elektron alıcısına

*1,98) / (1/5 *14) = 2,85 mg KOİ / mg NO3—N

Dolayısıyla denitrifikasyonda Y değeri yani bakteri büyümesi için gerekli karbon miktarı arttıkça denitrifikasyon için gerekli karbon veya KOİ miktarı da artacaktır. Sadece enerji denklemi kullanılarak yani büyüme ihmal edilerek gerekli KOİ miktarı alternatif olarak

→ 1/2 N2 + 3 H2O

43

Öncelikle genel enerji ve sentez denklemleri yazılır. Elektron vericiye ait yarı reaksiyon Rd ıya ait denklem ise Ra ile, hücre sentezine ait denklem ise Rc ile

aretini alır. Çünkü elektron verici oksitlenecektir. Buna göre benzoatın

+ e- + 1/10N2 + 1/6 H2O

+ 9/20 H2O + e- + 1/60 H2O

tirilmesi gerekir. Bunun için Re denklemi

+ 0,02 HCO3- + 0,1 H2O

+ 0,0067 HCO3-

5H7NO2 +0,06 N2 +

cinsinden bulalım. Önce

/ mg benzoat / 0,12 mg NO3—N*14

=4,75 mg KOİ/mgNO3—N

er hücre büyümesi olmaz ve tüm elektron sadece enerjiye dolayısıyla elektron alıcısına

eri yani bakteri büyümesi için gerekli karbon miktarı miktarı da artacaktır. Sadece enerji

miktarı alternatif olarak



44

1 mol NO3

- indirgenmesi için 5 mol elektron gereklidir. Bu elektronu üretmek için ne kadar KOİ gereklidir.

5H+ + 5e- +5/4 →5/2 H2O

5 mol elektron üretmek için 40 g KOİ gereklidir. Dolayısıyla 1 mg NO3

—N indirgemek için gerekli KOİ;

40 gKOİ / 14 g NO3

—N = 2,86 mg KOİ / mg NO3—N

Genel denklem:

R = fe*Re + fs*Rs formülü ile bulunmuştu. Bu denklem ayrıca: R=fe*(Ra-Rd) + fs*(Rc-Rd ) şeklinde de yazılabilir. Buna göre: R=fe*Ra-fe*Rd + fs*Rc- fs*Rd R=Ra(fe) +fs*Rc –Rd (fe +fs) fe+fs=1 Buna göre; R= fe*Ra + fsRc –Rd formülü ile de bulunabilir.

NH4

+ gibi NO3- de bakteriler için azot kaynağı olarak kulanılabilir. Yine benzoat için

denklemi yazalım. Bu durumda fs = 0,55 olsun.

fe= 1-fs = 0,45 R= fe*Ra+ fs*Rc - Rd

fe*Ra= 0,09 NO3- + 0,54H+ + 0,45e-→ 0,045 N2 + 0,27 H2O

fs*Rc= 0,0196 NO3- + 0,0982 CO2 +0.5696H+ +0.55e- → 0,0196 C5H7NO2+ 0,2161 H2O

-Rd: 0,0333C6H5COO- + 0,4333 H2O→ 0,2 CO2 + 0,0333 HCO3+ H+ + e- R: 0,0333C6H5COO- +0,1096 NO3

- + 0,1096H+ → 0,0196 C5H7NO2+ 0,045 N2 + 0,0333 HCO3

- + 0,1018 CO2 + 0,0528 H2O

Organiklere benzer olarak kemolitotoroflar inorganikleri oksitler ve enerji üretir. Hücre sentezi için gerekli karbonu ise CO2 den alır. Benzer olarak elektron alıcısının indirgenmesiyle oluşan elektron (enerji) enerji üretimi ve hücre sentezi arasında paylaştırılır. ÖRNEK 2.4: Nitrifikasyon stokiometrisi Bir atıksuda NH4-N 22 mg/L ise 1000 m3 atıksuda nitrifikasyon gerçekleştirmek için gerekli oksijen miktarını bulun. Ayrıca üretilecek çamur miktarını bulun. fs= 0.1 ve hücre üretimi için inorganik karbon kullanılacaktır. R=fe*Re+fs*Rs R= fe*(Ra-Rd)+fs(Rc-Rd)



45

R=fe*Ra+fs*Rc-Rd

Ra: 1/4O2 + H+ + e- → 1/2 H2O feRa: 0,225 O2 + 0,9 H+ + 0,9 e- → 0,45 H2O

Rc: 4 CO2 + 20 H+ + 20 e- + NH4 + HCO3

-→ C5H7NO2+ 9 H2O Rc: 1/5 CO2 + H+ + e- + 1/20 NH4

+ +1/20 HCO3- → 1/20 C5H7NO2+ 9/20 H2O

fs*Rc: 0,02 CO2+0,1 H++0,1 e- +0,005 NH4

++0,005 HCO3- → 0,005 C5H7NO2 + 0,045H2O

-Rd: NH4+ + 3 H2O → NO3

- + 10 H+ + 8 e- R=fe*Ra - fs*Rc – Rd 0,13 NH4

++0,225O2+0,02CO2+0,005HCO3-→0,25H++0,12 H2O+0,125 NO3

-+0,005 C5H7NO2

Denklemlere göre; 0,225* 32 g O2/0,13*14 g NH4-N = 3,956 g O2/ NH4-N Gerekli O2 = 1000 m3 *22 NH4-N / m3* 3,956 g O2/ NH4-N Gerekli O2= 87000 g O2 = 87 kg O2 Üretilen bakteri= 1000 m3 22 NH4-N * 0,005*113g bak/0,13 * 14 g NH4-N =6,83 kg Arıtılmış atıksudaki azot konsantrasyonu ise; 0,125 NO3

- /0,13 NH4*22 mg NH4 = 21,15 mg/L

ÖRNEK 2.5. Metanojenler için stokiyometri Bir endüstriyel atıksudaki organik maddenin formülünün C8H17O3N olduğu belirlenmiştir. Organik madde konsantrasyonu 23000 mg/L debi 150 m3/gün dür. 35 °C ve 1 atm de üretilen metan gazı miktarını bulun? fs= 0,08 ve organik madde giderim verimi %95 dir.

R= fe*Ra + fs*Rc –Rd fe= 1-0,08= 0,92 Ra=? Ra= CO2 + 8 H+ + 8 e- → CH4 + 2 H2O 1/8 CO2 + H+ + e- →1/8 CH4 + 1/4 H2O feRa=0,115 CO2 + 0,92 H+ + 0,92 e- →0,115 CH4 + 0,23 H2O Rc= 4CO2 + 20 H+ + 20 e- + NH4

+ + HCO3-→ C5H7NO2+ 9 H2O



46

Rc= 1/5 CO2 + H+ + e- + 1/20 NH4+ + 1/20 HCO3

- → 1/20 C5H7NO2 + 9/20 H2O fs*Rc= 0,016 CO2 + 0,008 H+ + 0,008 e- + 0,004 NH4

+ + 0,004 HCO3- → 0,004 C5H7NO2+

0,036 H2O -Rd=? C8H17O3N + 14 H2O → 7 CO2 + 40 H+ + 40 e- + NH4

+ + HCO3-

1/40C8H17O3N + 14/40 H2O → 7/40 CO2 + H+ + e- +1/40 NH4

+ +1/40 HCO3-

-Rd= 0,025C8H17O3N + 0,35 H2O → 0,175 CO2 +H+ + e- +0,025 NH4

+ +0,025 HCO3-

R= fe*Ra + fs*Rc –Rd R: 0,025C8H17O3N + 0,084 H2O →0,021 HCO3

-+ 0,004 C5H7NO2 + 0,021 NH4+ + 0,044

CO2 + 0,115 CH4

CH4 miktarının bulunması: Günlük organik yük 23 kg/m3*0,95*150 m3/gün=3277,5 kg/gün 1 mol C8H17O3N =175 g 3277,5*1000/175/ gün=18728,57mol/gün 0,115 mol CH4/0,025 mol organik*18728,57 mol organik/gün =86151,43 molCH4/gün 35 °C ve 10 atm de 1mol gaz =25,34 L

1000 mol CH4 25,34 m3

86151,43 mol CH4 x m3 X=2183 m3/gün

Metan içeriği = 0,115 / (0,044+ 0,115) *100 = % 72,32 2.5.1 Fermantasyon Reaksiyonları Fermantasyon; bir organiğin hem elektron alıcı hem de elektron verici olarak kullanılması durumudur. Örneğin glikozun etanole fermantasyonu. Bu reaksiyonda 1 mol glikoz 2 mol etanole ve 2 mol CO2’ ye dönüşür.

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2CO2

Bu denklemlerde de mikroorganizma büyümesinin hesaba katılması gerekmektedir. Bunun için yine uygun half reaksiyonların seçilmesi gerekmektedir. Bu tür denklemlerin yazılmasında tüm ara ürünlerin göz önüne alınması gerekmemektedir. Sadece giren ve çıkan (ürün) bileşiklerin bilinmesi balanced(dengeli) bir denklem yazmak için yeterlidir.

Basit Fermantasyon: Bu tür fermantasyonda sadece bir adet indirgenmiş ürün oluşur. Örneğin glikozdan etanol üretimi. Öncelikle elektron verici yan reaksiyonların seçilmesi gerekir. Burada elektron verici glikozdur. İkinci olarak elektron alıcının seçilmesi gerekir.



Burada CO2 den etanol üretim yarı reaksiyonu kullanılır. Sadece enerji üretimi dübakteri üretimi ihmal edilirse;

Ra: 1/6 CO2 + H+ + e-Rd: 1/24C6H12O6 + 1/4 HRe: 1/24 C6H12O6 →

ÖRNEK:2.6: Basit Fermantasyon Stokiyometrisi Glikozdan etanol fermantasyonu için stokiometrik R=fe*Ra+fs*Rc – Rd fe= 1- 0,22 =0,78 feRa: 0,13 CO2 + 0,78H+ + 0,78 efs*Rc: 0,044 CO2+0,011 NH4+0,011 HCO-Rd: 0,0417 C6H12O6 + 0,25 HR: 0,0417 C6H12O6 + 0,011 NHCO2 +0,044 H2O

KARIŞIK FERMANTASYON Bir çok fermantasyon reaksiyonunda birden fazla ürün oluglikozu asetat, etanol, format ve arke organik maddeleri metan ve tam oksitlenmemiİndirgenmiş organik maddelerin birbirine göre oranları bilinirse enerji reaksiyonları yazılarak denklemler kurulabilir. Kritik adım; oluşucak ara ürünlerin relatif oranların bilinmesidir. Herbir ürünün elektron equvolenti hesaplanır ve toplam elektron equvolent kullanılarak relatif oranları hesaplanır. Reaksiyon denklemleri bu oranlar ile çarpılır.

Ra=

eai = ve

Rd=

edi= ve Örnek 2.7: (Sitrat’ın iki indirgenmiformat, 2 mol asetate, bir mol de bikarbonata dönüdenklemi yazın.

Ders Notları

den etanol üretim yarı reaksiyonu kullanılır. Sadece enerji üretimi dü

+ e- → 1/12 C2H5OH + 1/4 H2O + 1/4 H2O→1/4 CO2 + H+ + e- → 1/12CH3CH2OH + 1/12 CO2

Basit Fermantasyon Stokiyometrisi

Glikozdan etanol fermantasyonu için stokiometrik denklemi yazın. fs=0,22

+ 0,78 e- → 0,065 C2H5OH + 0,195 H2O +0,011 HCO3

-+0,22H++0,22 e- → 0,011 C5H7

+ 0,25 H2O→0,25 CO2 + H+ + e- + 0,011 NH4 + 0,011 HCO3

-→ 0,011 C5H7NO2 + 0,065 C

IK FERMANTASYON

Bir çok fermantasyon reaksiyonunda birden fazla ürün oluşur. Örneğin glikozu asetat, etanol, format ve hidrojene dönüştürür. Metan fermantasyonunda bakteri ve arke organik maddeleri metan ve tam oksitlenmemiş fermantasyon ürünlerine dönü

organik maddelerin birbirine göre oranları bilinirse enerji reaksiyonları yazılarak

ucak ara ürünlerin relatif oranların bilinmesidir. Herbir ürünün elektron equvolenti hesaplanır ve toplam elektron equvolent kullanılarak relatif oranları hesaplanır. Reaksiyon denklemleri bu oranlar ile çarpılır.

Ra=elektron alıcı reaksiyonu

ve

Sitrat’ın iki indirgenmiş ürüne dönüşümü) Bacteroide sp. 1 mol siformat, 2 mol asetate, bir mol de bikarbonata dönüştürür. Bu reaksiyon için toplam enerji

47

den etanol üretim yarı reaksiyonu kullanılır. Sadece enerji üretimi düşünülür ve

denklemi yazın. fs=0,22

7NO2 + 0,099 H2O

+ 0,065 C2H5OH + 0,076

ğin E.coli genellikle türür. Metan fermantasyonunda bakteri ve

fermantasyon ürünlerine dönüştürür. organik maddelerin birbirine göre oranları bilinirse enerji reaksiyonları yazılarak

ucak ara ürünlerin relatif oranların bilinmesidir. Herbir ürünün elektron equvolenti hesaplanır ve toplam elektron equvolent kullanılarak relatif oranları hesaplanır.

) Bacteroide sp. 1 mol sitratı 1mol türür. Bu reaksiyon için toplam enerji



48

İndirgenmiş ürünler, asetat ve formattır. Bikarbonat CO2 olup en yüksek oksitlenme düzeyindedir ve elektron dengesi yazarken hesaba katılmaz. Tablo 2.3’de Asetat: 1/8 CO2 + 1/8 HCO3

- + H+ + e- = 1/8 CH3COO- + 3/8 H2O Format: ½ HCO3

- + H+ + e- = ½ HCOO- + 1/2 H2O Bir mol asetat üretmek için 8 e- gerekli. Bir mol format üretmek için ise 2 e- gereklidir. İki mol asetat ve bir mol format için 18 e-eq gereklidir. Dolayısıyla, elektronların asetata ve formata kayan kısmı; eac = 16/18 = 0,889 eform= 2/18 = 0,11 Bu oranlar yukarıdaki denklemler ile çarpılırsa; 0,111Rform : 0,0555HCO3

- +0,111H+ +0,111e-=0,055HCO3-+0,0555H2O

0,889Rac: 0,11CO2+0,111HCO3-+0,889H+0,889e-=0,11CH3COO-+0,333H2O

Ra: 0,111CO2+0,166HCO3

-+H++e-→0,0555HCOO-+0,111CH3COO-+0,388H2O Genel enerji denklemi Re=Ra-Rd→Tablo2.3 -Rd= 1/18(COO)CH2COH(COO-)CH2COO+4/9H2O=1/8CO2+1/6HCO3

-+H++e- Re=Ra-Rd (COO)CH2COH(COO-)CH2COO-+H2O→HCOO-+2CH3COO-+CO2 Örnek 2.8: (Karışık elektron verici ve elektron alıcı). 1,1 mol laktat ve 1,1 mol glikozun metan fermantasyonunda 3,6 mol metan, 0,21 mol asetat, 0,42 mol proponat oluşmaktadır. Bu durumda enerji denklemini yazın.

Elektron verici mol e- eq /mol eq edi

Laktat 1.1 12 12*1.1=13,2 13.2/39.6=0.33 Glikoz 1.1 24 26,4 0,67 39,6 1,00

Elektron vericide toplam 39,6 eq- üretilirken ürünlerin oluşumu için gerekli e-eq=36,22 dir. Dolayısıyla yaklaşık % 10 luk bir elektron verici alıcılara ulaşmamıştır. Bu farkın bakteri büyümesi içn kullanıldığı düşünülmektedir. Bulunan relatif oranlarla denklemler çarpılıp tek bir Ra ve Rd yazılırsa; Alıcılar için:

Elektron alıcı mol e- eq/mol eq- eai Metan 3,6 8 28,8 0,796 asetat 0,21 8 1,68 0,046 propionat 0,42 14 5,74 0,158 36,22 1,00



49

0,796Rmet:0,0995CO2+0,796H++0,796e-→0,0995CH4+0,199H2O 0,046Rac:0,0058CO2+0,0058HCO3

-+0,046H++0,046e-→0,0058CH3COO-+0,0172H2O 0,158Rprop:0,0226CO2+0,0113HCO3+0,158H++0,158e-→0,0113CH3CH2COO-+0,0564H2O Ra:0,128CO2+0,017HCO3

-+H++e-→0,0995CH4+0,0058CH3COO-+0,0113CH3CH2COO-

+0,273H2O Verici için yazılırsa; 0.33Rlak.: 0,055CO2+0,0275HCO3

-+H++e- = 0,0275CH3CHOHCOO-+0,11H2O 0.67Rglu.: 0,168CO2+0,67H++0.67e- = 0,0279C6H12O6+0,168H2O Rd: 0,223CO2+0,0275HCO3

-+H++e-→0,0275CH3CHOHCOO-+0,0279C6H12O6+0,278H2O Ra−Rd: 0,0275CH3CHOHCOO- + 0,0279C6H12O6 + 0,005H2O → 0,0995CH4 + 0,0058CH3COO + 0,0113CH3CH2COO- + 0,095 CO2 + 0,0105HCO3

- Eğer; fs=0,1/1,1=0,091 ve fe=1-0,091=0,909 alınarak; R=fe*Re+Rs*fs Rs=Rc-Rd R=(Ra-Rd)fe+fs(Rc-Rd) R=fe*Ra+fs*Rc-Rd R: 0,0275CH3CHOHCOO-+ 0,0279C6H12O6 + 0,0046NH4

+ → 0,0046C5H7NO2 + 0,0904CH4

+ 0,00527CH3COO-+0,0103CH3CH2COO-+0,088CO2+0,0075HCO3-+0,011H2O bulunur.

Benzer olarak Desulfovibrio desulfuricans’ın laktatı sülfat varlığında asetata dönüştürmesi ise; 0,084CH3CHOHCOO-+0,042SO4

-2+0,063H+→0,084CH3COO-+0,021H2S+0,021HS-

0,084CO2 + 0,084H2O ENERGETICS VE BAKTERİ BÜYÜMESİ Mikroorganizmalar oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarıyla büyüme ve hücre onarımı için enerji üretirler. Her bir elektron için ortaya çıkan enerji, elektron alıcıya göre değişir. Hücre, subsrat konsantrasyonun yüksek olduğu durumda enerjinin büyük kısmını sentez için harcar. Fakat elektron verici konsantrasyonu düşük ise, subsrat oksidasyonunda elde edilen enerjinin büyük kısmı hücre onarımına aktarılır. Dolasıyla yüksek subsrat kullanımı olması durumunda büyüme daha fazla olup Y yüksek olur. Bu aşağıdaki denklemde gösterilmiştir. Yn= [(dXa/dt)/(-dS/dt)] =Y-bXa/(-dS/dt) Benzer olarak, elektron vericinin oksitlenmesiyle üretilen enerji, hücre onarımı için gereken enerjiye (m) eşitse Yn=0 olur. Eğer, Yn=0 ise (–dS/dt)/Xa = b/Y = m True Yield ile elektron alıcı oksidasyonundan üretilen enerjinin ilişkilendirilmesi üzerine çeşitli çalışmalar yapılmakla beraber üzerinde uzlaşılmış bir metod yoktur. En kabul



50

görenlerden biri; elektron eşdeğer cinsinden yazmak olup, elektron alıcının oksidasyonu ile üretilen elektronların ne kadarının hücere sentezi, ne kadarının enerji için kullanıldığını belirlemektir. Oldukça teorik bir yaklaşım gibi görünsede elektron eşdeğeri, çevre mühendisliğinde kolayca ölçülen birçok parametre ile (KOİ, oksijen ihtiyacı) ilişkilendirilebilir. Örneğin bir eşdeğer gram oksijen 8g O2 olup, bir elektron eşdeğeri herhangi bir elektron alıcı 8g O2’e eşdeğerdir. Bu kolaylıkla kullanılarak Yn değeri KOİ eşdeğeri cinsinden hesaplanabilir. Örnek: Bir atıksu 12,6 g/l etanol içermektedir. e-eq/l ve KOİ ‘sini hesaplayın. C2H5OH+3H2O→ 2CO2 + 6H+ + 6e-

1mol C2H5OH 6e-eq 46 g 6e-eq 12,6 x X = 1,64 e-eq 1e-eq O2 8g 1,64 e- eq x X = 13,12 g KOİ/l veya ,64 H+ + 1,64e-+ 0,82/2 O2→ 0,82 H2O 13,12 g KOİ/l ENERJİ REAKSİYONLARININ SERBEST ENERJİSİ Tablo 2.2 ve 2.3’de PH=7.0’de standart serbest enerjileri verilmiştir. Kitapta Ek –A’da her bir ürün için standart serbest enerjiler verilmiş olup, Tablo 2.2 ve 2.3 dışındaki reaksiyonlar için gerekli hesaplamalar yapılabilir. Bir reaksiyondaki serbest enerji ürünlerin toplam serbest enerjisinden girenlerin toplam serbest enerjisi çıkarılarak hesaplana bilir. Bir reaksiyonun serbest enerjisini, ∆Gr, hesaplamak için elektron alıcıya ait yarı ürün reaksiyonunun serbest enerjiyle, elektron vericiye ait yarı reaksiyonun serbest enerjisi toplanır. Tıpkı yarı reaksiyonlardan toplam denklem elde etmek için kullanılan prosedür izlenir. Örneğin etanolün aerobik oksidasyonu için genel enerji denklemini ve serbest enerji; ∆G0,kj/e-eq Tablo2.4 R-I-14: 1/4O2 +H++e-=1/2H2O -78,72 Tablo2.3 R-D-5: 1/12CH3CH2OH+1/4H2O =1/6CO2 +H++e -31,18

1/12CH3CH2OH+1/4 O2 =1/6CO2+1/4H2O -109,90 ∆G0r standart şartlarda (1M etanol, 1 atm O2 ve CO2 kısmı basıncı, pH=7.0) Şekil 2.2 ‘de farklı elktron alıcı ve vericiler için serbest enerjiler verilmiştir. Elektron alıcı oksijen veya nitrat olması durumunda serbest enerji degişimi birbirine yakın olmakta ve organik maddelerin elektron alıcısı olarak kullanılması durumun da ∆G0r=-96 ile -120 kj/ e-eq arasında değişmektedir. İnorganiklerin aerobik oksidasyonundan bu aralık çok değişmektedir.



Örnegin Fe+2’nin oksitlenmesinde serbest enerji deaerobik oksidasyonunda serbest enerji de Anaerobik koşullarda metan ürekullanıldığında, serbest enerji deGörüldüğü gibi aerobik ve anaerobik ortamda ortaya çıkan enerji miktarı oldukça farklı olup bu durumda bakteri dönüşüm k Bulunan bu serbest enerjiler standart kolay hesaplanabilir. ∆Gr=∆G0r + RT lnk Etonolün aerobik oksidasyon örne 1/12CH3CH2OH + 1/4O2 = 1/6CO∆G0r =-109,9 kj/ e-eq ∆Gr = ∆G0r+RT lnk = -109,9+8,314(273+0)*ln { Dolayısıyla serbest enerji, standart gerekli düzeltme yapıldığı takdirde bu durum çok sık gözlenebilir (biyolojik reaksiyonlarda). pH’nın 7.0’ den farklı olması durumunda pH düzeltmesi gerekir;∆Gr=∆G0rı-RTUH + ln[10-7] ∆G0rı =PH 7.0’deki değer DÖNÜŞÜM KATSAYISI ve REAKS Subsrat kullanımında enerji üretimi iki areaksiyonları yüksek enerjili tataşıyıcılar harcanarak üreilen enerji hücre sentezi ve hücre onarımnda kullanılır. Bu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Tüm reaksiyonlarda olduğu gibi her basamakta bir kısım serbest enerji kaybolur. Termodinamik prensiplerine dayanarak fonarım için harcanan enerji sıfır olarak

=Y( )-bxa

Ders Notları

’nin oksitlenmesinde serbest enerji değişimi yaklaşık -5kj/ eaerobik oksidasyonunda serbest enerji değişimi -119 kj/e-eq dir.

ullarda metan üreteminde asetat ve glikoz organik madde olarak ında, serbest enerji değişimi sırasıyla -3,87 kj/ e-eq ve -17,82 kj/ e

ü gibi aerobik ve anaerobik ortamda ortaya çıkan enerji miktarı oldukça farklı olup şüm katsayısına da yansımakatadır.

Bulunan bu serbest enerjiler standart şartlarda olup, normal ve gerçek şartlardaki de

Etonolün aerobik oksidasyon örneğinde;

= 1/6CO2 + 1/4 H2O

109,9+8,314(273+0)*ln {[(CO2)1/6.(H2O)1/4] / [(CH3CH2OH)1/12)}

Dolayısıyla serbest enerji, standart şartlarda elde edilen değere oldukça yakındır. pH ile ilgili ı takdirde bu durum çok sık gözlenebilir (biyolojik reaksiyonlarda).

pH’nın 7.0’ den farklı olması durumunda pH düzeltmesi gerekir;

ÜM KATSAYISI ve REAKSİYON ENERJİSİ

at kullanımında enerji üretimi iki aşamada gerçekleşir. Birinci areaksiyonları yüksek enerjili taşıyıcılar üretir (ATP gibi). İkinci aşamada ise bu enerji

ıyıcılar harcanarak üreilen enerji hücre sentezi ve hücre onarımnda kullanılır. Bu ştir.

ğu gibi her basamakta bir kısım serbest enerji kaybolur. Termodinamik prensiplerine dayanarak fs

0 ve Y hesap edilebilir. True Yield’in tahmininde onarım için harcanan enerji sıfır olarak alınır.

51

5kj/ e-eq iken H2’ nin

teminde asetat ve glikoz organik madde olarak 17,82 kj/ e-eq dir.

ü gibi aerobik ve anaerobik ortamda ortaya çıkan enerji miktarı oldukça farklı olup

şartlardaki değerler çok

)}

ere oldukça yakındır. pH ile ilgili ı takdirde bu durum çok sık gözlenebilir (biyolojik reaksiyonlarda).

ir. Birinci aşamada; enerji şamada ise bu enerji

ıyıcılar harcanarak üreilen enerji hücre sentezi ve hücre onarımnda kullanılır. Bu durum

u gibi her basamakta bir kısım serbest enerji kaybolur.

ve Y hesap edilebilir. True Yield’in tahmininde



Y=

Y=Yn+ eğer b=0 ise Y=Yn İlk olarak bir eşdeğer hücre üretimi için gerekli enerjiyi amonyumundan karşılandığınımoleküllerini sentezlemek için kullandıgerekli enerjiyi bulmalıyız. Bu amaçla ara organik ürüoluşum reaksiyonu Tablo 2.3 de verilmi 1/5CO2 +1/10HCO3

- +H++e Bir organik maddeyi pirivuta dönükullanılarak bulunabilir; ∆Gp=35,09-∆Gc

o→elektron vericiye ∆Gc

o değerleri Tablo 2.3 ‘den alınabilir. Örne∆Gc

o =27,4 kj/ e-eq Ototrofik koşullarda ise inorganik karbon için oldukça yüksek enerji gerekir.piruvata indirgemek için) sudan gelir. Buna göre ∆Gc

o = - 78,72 kj/ e-eq alınır . (ototrofik reaksiyonlarda )Buna ∆Gp = 35,09-(-78,72)=113,8 kj/e Piruvat üretildikten sonra hücresel karbona dönükj/ g hücre ( Mr.Carty,1971) olarak kabul edilir. Hücrenin e-eq değeri =113g/20eDolayısıyla ∆Gpc=3,33*5,65=18,8 kj/ eamonyum kullanılacaksa). Son olarak elektron transferinde her zamansentezi için enerji ihtiyacı aşağ ∆Gs = ∆Gp/εn + ∆Gpc/ε Şeklinde olur. Burada ∆Gp organik maddenin piruvat dönü∆Gp; glikoz gibi organikler için negatiftir.dönüşmektedir. Bu enerjinin

Ders Notları

er b=0 ise Y=Yn

er hücre üretimi için gerekli enerjiyi ∆Gs ve hücre üretemi içğını düşünelim. İlk olarak organik subsratın,

sentezlemek için kullandığı ara ürünlere dönüştüğünü kabul ederek bunun için Bu amaçla ara organik ürünün piruvat olduğu kabul edilir. Privuta

ablo 2.3 de verilmiş olup,

+e → 1/10CH3COCOO-+2/5H2O ∆G0=35,09 kj/ e

Bir organik maddeyi pirivuta dönüştürmek için gerekli enerji ∆Gp ise

elektron vericiye ait yarı reaksiyonun enerji değişimi

erleri Tablo 2.3 ‘den alınabilir. Örneğin elektron verici (organik karbon)

ise inorganik karbon kullanılır. Bu durumda CO2’i piruvata dönüiçin oldukça yüksek enerji gerekir. Fotosentezde, hidrojen veya elektron

sudan gelir. Buna göre

eq alınır . (ototrofik reaksiyonlarda )Buna göre ototrofik reaksiyonlarda 78,72)=113,8 kj/e-eq

a hücresel karbona dönüştürülür. Burada genellikle enerji (olarak kabul edilir.

eri =113g/20e- =5,65g /e- Gpc=3,33*5,65=18,8 kj/ e-eq olarak bulunur (Eğer azot

arak elektron transferinde her zaman enerji kaybı söz konusudur. şağıdaki şekilde bulunabilir.

Gp organik maddenin piruvat dönüştürülmesi için gerekli enerjiyi göstermektir. gibi organikler için negatiftir. Yani glikozdan enerji açığ

Bu enerjinin bir kısmı kaybolur ve bu durumda “n”-1 de

52

Gs ve hücre üretemi için azotun bakterilerin makro

ünü kabul ederek bunun için ğu kabul edilir. Privuta

=35,09 kj/ e-eq

Gp ise aşağıdaki formül

in elektron verici (organik karbon) asetat ise

’i piruvata dönüştürmek elektron (karbonu CO2’den

göre ototrofik reaksiyonlarda

Burada genellikle enerji (∆Gp) 3,33

er azot kaynağı olarak

enerji kaybı söz konusudur. Dolayısıyla, hücre

erjiyi göstermektir. Yani glikozdan enerji açığa çıkarak piruvat

1 değerini alır. Diğer



53

durumlarda; örneğin asetatın organik madde kaynağı olarak kullanıldığı durumda n’ değeri +1 olacaktır. Hücre üretimi için gerekli enerji miktarının bulunmasıyla beraber artık bu hücrenin üretilebilmesi için oksitlenmesi gerekli elektron verici miktarı A olarak tanımlanır. Dolayısıyla A kadar elektron vericinin oksitlenmesiyle üretilecek enerji miktarı A.∆Gr olacaktır. Burada ∆Gr 1e-eq elektron vericinin oksitlenmesiyle ortaya çıkacak enerji miktarıdır. Bu kadar enerji ,enerji taşıyıcılarına transfer edilirken yine bir miktar enerji kaybolacaktır . Eğer enerji kaybı, bir önce verilen taşıyıcılardan senteze aktarılırken meydana gelen kayıp (Є)ile aynı ise enerji üretimi ЄA∆Gr olacaktır. Eğer taşıyıcılar için dengeli durumda enerji dengesi yazılırsa; A*Є*∆Gr-∆Gs=0 ∆Gs = ∆Gp/εn + ∆Gpc/ε A= [∆Gp/εn + ∆Gpc/ε] / (ε∆Gr) şeklini alır. Bu denklem hücre onarımı için gerekli subsratı kapsamadığı için bu şekilde elde edilen yield katsayısı True Yield değerini verecektir. Daha önce bahsedildiği üzere elektron vericinin bir kısmı enerji üretimi için, diğer kısmı ise hücre sentezi için kullanılır. A=1 e-eq hücre üretimi için kullanılan elektron verici miktarıdır. Buna göre 1 e-eq hücre üretimi için harcanan toplam elektron verici miktarı 1+A olur. Dolayısıyla; fs

0= 1/(1+A) fe0= A/(1+A)

Enerji transfer verimi ise; bir kabul sonucu seçilen değerdir. Enerji transfer verimi genellikle %55-70 arası olup Є genellikle 0,60 alınır. Bazı enzimatik reaksiyonlarda örneğin; hidrokarbonların ilk oksitlenme aşamasında bir enerji yatırımı gerekmektedir. Tüm reaksiyon sonucunda enerji üretilecek olsa bile ilk yatırım nedeniyle genel enerji transfer verimi düşecektir. Fakat buradaki reaksiyonlar ve denklemler bu durmu göz ardı edecektir. Örnek: Є’nin heterotrofik Y üzerine etkisine etkisi. Aerobik asetat oksidasyonunda Є değerlerini 0.4, 0.6 ve 0.7 olarak fs0ve Y degerlerini kıyaslayın. PH=7.0 ve her bir reaktant ve ürününde aktivitesinin birim (1) olduğunu kabul edin. Hücre sentezi için amonyum kullanılmaktadır. Є=0,4 ise Asetat oksidasyonunda ∆G0ı = - 27,40 kj/ e-eq A= [∆Gp/εn + ∆Gpc/ε] / (ε∆Gr) ∆Gp=35,09-∆Gpc=35,09-27,40=7,69 kj/ e-eq (enerji gerektiren bir eaksiyon olup n değeri 1 alınacaktır.) ∆Gpc=18,8 kj/ e-eq



A=[(7,69 kj/ e-eq /0,4)+(18,8/ ∆Gr=∆Gaı-∆Gdı= -78,72-27,40=A= - [(66,225) / (0,4*(-106,12)fs

0=1/(1+A) = 1/(1,56+1)=0,39fe

0=A/(1+A) = 0,61 Y değerini bulabilmek için dengelenmiRe=Ra-Rd R=fRs=Rc-Rd R=fe(Ra-Rd)+ fs(Rc-Rd) R= fe*Ra- fe*Rd+ fs*Rc- fsRd R= feRa+fs*Rc-Rd Ra: 1/4 O2+H++e-→1/2H2O fe*Ra: 0,1525 O2+0,61+H+0,61 efs*Rc:0,078 CO2+0,0195 HCO -Rd=0,125 CH3COO-+0,375 H R: 0,125CH3COO- + 0,1525O0,0195C5H7NO2

Y= = 0,298

Y =

0,4 0,30 0,6 0,59 0,7 0,66 Örnek 2.11: Elektron alıcı ve elektron vericinin heterotroflar üzerine etkisiasetatın O2, nitrat, sülfat ve CO∆Gr, ∆G0 sayfada verilmiştir (sayfa 158). Ototroflarda fs0değerleri dolayısıyla Y deüretimi oldukça yüksek miktarda enerji gerektiren bir reaksiyondur. Örnebakteriler için ∆Gs değerini Є de ∆Gs=substrattan hücre üretimi ∆Gs = ∆Gp/εn + ∆Gpc/ε ∆Gp=35,09-∆Gpeı =35,09-(-78,72)=113,8 kj/ e ∆Gs=113,8/0,6+18,8/0,6=221 kj/ e

Ders Notları

(18,8/0,4) / (0,4*(∆Gr)]=

27,40=-106,12 106,12)]= 1,56

=0,39

erini bulabilmek için dengelenmiş denklemi yazmak gerekir. Buna göre,Rd R=fe*Re+fs*Rs

0,61 e-→0,305 H2O +0,0195 HCO3

-+0,0195NH4++0,39H++0,39e-→0,0195C5H

+0,375 H2O+ 0,125HCO3-+ H++e-

O2 + 0,0195NH4+ → 0,797CO2 + 0,1055 HCO

0,30g/g

fs0 Y (g cell/g subst) Y (g cell/KO0,30 0,280,45 0,420,51 0,47

Elektron alıcı ve elektron vericinin heterotroflar üzerine etkisisülfat ve CO2’in elektron alıcı olduğu ve Є=0,60 olduğ

(sayfa 158).

dolayısıyla Y değerleri düşüktür. Bunun nedeni iseüretimi oldukça yüksek miktarda enerji gerektiren bir reaksiyondur. Örne

Є değerini 0,6 kabul ederek hesaplayalım.

Gs=substrattan hücre üretimi için gerekli enerji

78,72)=113,8 kj/ e-eq

Gs=113,8/0,6+18,8/0,6=221 kj/ e-eq

54

denklemi yazmak gerekir. Buna göre,

H7NO2+0,1755 H2O

0,1055 HCO3- + 0,1055H2O +

Y (g cell/KOİ subs) 0,28 0,42 0,47

Elektron alıcı ve elektron vericinin heterotroflar üzerine etkisi. Glikoz ve ğu durumda A, fs0,

üktür. Bunun nedeni ise; CO2’den hücre üretimi oldukça yüksek miktarda enerji gerektiren bir reaksiyondur. Örneğin ototrofik



Asetat kullanan aerobikler için bu dehücrelerin üretimi için oldukça yüksek enerji gerekir.

OKSİTLENMİŞ AZOT KAYNAKLARININ HÜCRE ÜRET

Mikroorganizmalar hücre sentezi için amonyumu tercih eder. Çünkü amonyumdaki N (değerlikli olup hücre içerisindeki N ile aykullanıldığında hücre sentezi için dolmaması durumunda birçok prokaryot oksitlenmiihtiyaçlarını gidermek için kullbu azot öncelikle -3 değerlikli amonyuma dönüİşte bu durum oksitlenmiş azot formlarına kıyasla, amonyumun kullanımını tercih sebebi yapar. Dolayısıyla oksitlenmiş azot formalarının kullanılması

∆Gs= + ∆Gp: Organiğin piruvata dönükullanılması ∆Gp değerini değ. ∆Gpe ise piruvat ve azot kayna1 mol C5H7NO2 üretirken NHN2kullanırsa 23 elektrona ihtiyaç duyulur enerji azot kaynağına bağlı olup; Amonyum için, ∆Gpc = 3,33kj/g hücre*113 ghücre/20e NO3

- için; ∆Gpc = 3,33 kj/g hücre*113 ghücre/28=13,4 kj/e NO2

- için=14,5ve N2 için 16,4 kj/ e A değeri hesaplanarak fs0 vereaksiyonlarından genel denkleme Örnek: Oksitlenmiş azot kaynakullanılması durumunda asetatıbulun Є=0,6. A=∆Gs/Є∆Gr = ∆Gp0=27,40 ∆Gp=35,09-27,40=7,69 kj/ e-eq n=+1∆Gr=Ra-Rd=-78,72-27,40=-106,12 A= [∆Gp/εn + ∆Gpc/ε] / (ε∆Gr) ∆Gpc=13,4 kJ/e-eq

Ders Notları

Asetat kullanan aerobikler için bu değer daha önce 66,22 bulunmuştu. Dolayısıyla, ototrofhücrelerin üretimi için oldukça yüksek enerji gerekir.

AZOT KAYNAKLARININ HÜCRE ÜRETİMİ AMACIYLA KULLANIMI

Mikroorganizmalar hücre sentezi için amonyumu tercih eder. Çünkü amonyumdaki N (erlikli olup hücre içerisindeki N ile aynı oksidasyon seviyesindedir. D

ında hücre sentezi için daha az enerjiye ihtiyaç duyulur. Fakat amonyumun mevcut olmaması durumunda birçok prokaryot oksitlenmiş azot formlarını (NOihtiyaçlarını gidermek için kullanırlar. Oksitlenmiş azot formlarının kullanılması durumunda

erlikli amonyuma dönüştürülür. Bunun için elektron ve enerji gerekir.ş azot formlarına kıyasla, amonyumun kullanımını tercih sebebi

ıyla oksitlenmiş azot formalarının kullanılması ∆Gs değerini etkileyecektir.

in piruvata dönüşmesi için gerekli enerji miktarı olup, NHerini değiştirmeyecektir

ve azot kaynağından hücre üretimi olup azot kaynağına baüretirken NH4

+ kullanırsa 20e-, NO3- kullanırsa 28, NO

elektrona ihtiyaç duyulur (Tablo2.4). Piruvattan hücre üretimi içilı olup;

3,33kj/g hücre*113 ghücre/20e-eq=18,8 kj/ e-eq

3,33 kj/g hücre*113 ghücre/28=13,4 kj/e-eq

için 16,4 kj/ e-eq olarak bulunur.

ve fe0 değerleri hesaplanır daha sonra Ra,reaksiyonlarından genel denkleme ulaşılarak Y değeri hesaplanır.

azot kaynağının etkisi. fs0 ve Y değerini NO3-

kullanılması durumunda asetatın aerobik oksidasyonu için hesaplayın.

eq n=+1 106,12

Gr)

55

ştu. Dolayısıyla, ototrof

İ İ AMACIYLA

Mikroorganizmalar hücre sentezi için amonyumu tercih eder. Çünkü amonyumdaki N (-3) dir. Dolayısıyla, NH4

+

Fakat amonyumun mevcut azot formlarını (NO2

-,NO3-,N2) azot

azot formlarının kullanılması durumunda türülür. Bunun için elektron ve enerji gerekir.

azot formlarına kıyasla, amonyumun kullanımını tercih sebebi erini etkileyecektir.

, NH4+yerine NO3

-‘ün

ına bağlı olarak değişir. kullanırsa 28, NO2

- kullanırsa 26, Piruvattan hücre üretimi için gerekli

erleri hesaplanır daha sonra Ra, Rd ve Re yarı

azot kaynağı olark n aerobik oksidasyonu için hesaplayın. Oksijen ihtiyacını



A = [7.69/0.6+13,4/06]/(0,6*106,12)A=0,55 fs0=1/1+A=0,645 fe0=A/1+A=0,35 R=feRe+fsRs R=fe(Ra-Rd)+fs(Rc-Rd) R=feRa+fsRc-Rd R=0,125 CH3COO-+0,0875O2

HCO3-+0,0554H2O

Y=0,33g hücre/g KOİ Azot kaynağı olarak NH4

+’ün kullanılması durumunda ise Y=0,42 gbulunmuştur. BÖLÜM 3 MİKROBİYAL KİNETİK Mikroorganizmalar enerji üretmek için oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarını gerçekleştirir. Burada iki nokta önemlidir.biyokütleye ihtiyaç vardır. İkincisi ise;vericinin kullanılması gerekir. Dolayısıyla bakteri üretim hızı ilekullanım hızı birbiriyle ilişkilidir. Bir hız denklemi aktif bakteri kütlesi ve büyümeyi sınırlayan subssahip olması gerekir. Genellikle büyümeyi sınırlayan besin elektron verici olup buna birincil elektron verici substrat denir. Kütle dengesinin tamsubstrat kullanımı için hız ifadeleri gerekir. Bakteri büyümesi kinetiği için Jacques Monod tarafından gelişhızı (spesifik büyüme hızı) ile substrat konsantrasyonu arasındaki ili

SK

S

dt

dX

Xsyn

a

a

syn+

==

∧

µµ ).

1(

=sentez dolayısıyla spes

S= Substrat konsantrasyonu, mg/lK= Yarı hız sabiti (maksimummg/l) Bu denkleme göre; büyüme hızı dükonsantrasyonun artmasıyla lineer olarak artmakta, yüksek substrat konsantrasyonlarında ise spesifik büyüme hızı ile substrat konsantrasyonu arasında sıfırıncı dereceden bir ili

Ders Notları

= [7.69/0.6+13,4/06]/(0,6*106,12)

2+0,0232NO3-+0,0232H+→0,0232 C5H7NO2

’ün kullanılması durumunda ise Y=0,42 g hücre/g KO

Mikroorganizmalar enerji üretmek için oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarını Burada iki nokta önemlidir. Birincisi; kirleticilerin giderimi için aktif

İkincisi ise; aktif biyokütlenin üretilebilmesi için elektron alıcı ve vericinin kullanılması gerekir. Dolayısıyla bakteri üretim hızı ile elektron alıcı ve verici

şkilidir.

Bir hız denklemi aktif bakteri kütlesi ve büyümeyi sınırlayan substrat için kütlesine dengesine Genellikle büyümeyi sınırlayan besin elektron verici olup buna birincil

elektron verici substrat denir. Kütle dengesinin tamamlanması için hem bakteri hem de rat kullanımı için hız ifadeleri gerekir.

i için en çok kullanılan denklem 1940 larda Fransız mikrobiyolojist Jacques Monod tarafından geliştirilen monod denklemidir. Monod denklemi bakteri büyüm

ile substrat konsantrasyonu arasındaki ilişkiyi göstermektedir.

=sentez dolayısıyla spesifik büyüme hızı, zaman-1

, mg/l arı hız sabiti (maksimum hızın yarısına ulaşmak için gerekli substrat konsantrasyonu,

Bu denkleme göre; büyüme hızı düşük substrat konsantrasyonlarında substrat konsantrasyonun artmasıyla lineer olarak artmakta, yüksek substrat konsantrasyonlarında ise

ile substrat konsantrasyonu arasında sıfırıncı dereceden bir ili56

+0,0089CO2+0,125

hücre/g KOİ olarak

Mikroorganizmalar enerji üretmek için oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarını kirleticilerin giderimi için aktif

aktif biyokütlenin üretilebilmesi için elektron alıcı ve elektron alıcı ve verici

rat için kütlesine dengesine Genellikle büyümeyi sınırlayan besin elektron verici olup buna birincil

anması için hem bakteri hem de

larda Fransız mikrobiyolojist tirilen monod denklemidir. Monod denklemi bakteri büyüme

kiyi göstermektedir.

mak için gerekli substrat konsantrasyonu,

ük substrat konsantrasyonlarında substrat konsantrasyonun artmasıyla lineer olarak artmakta, yüksek substrat konsantrasyonlarında ise

ile substrat konsantrasyonu arasında sıfırıncı dereceden bir ilişki vardır.



57

Yavaş büyüyen bakterilerle çalışan bilim adamları (örneğin çevre biyoteknolojistleri) fark ettiler ki bakteriler hücre onarımı, hareket, ozmotik basınç gibi nedenlerle ilave bir enerjiye ihtiyaç duymaktadır Bu enerji endogenous decay olarak tanımlanır. Kısacası; hücre kendi kendini oksitleyerek bu maintenance-enerji ihtiyacını karşılar. Erdogenous decay hızı;

bdt

dX

Xadecay

a

dec −== ).1

(µ

Burada; b= Endogenous decay (iç solunum) hız sabiti, zaman-1 µdec= Çürümeden dolayı spesifik büyüme hızı, zaman-1 Bakterinin oksitlenmesiyle bir kısım inert ürün oluşmaktadır. Dolayısıyla, bakterinin bir kısmı oksitlenebilen bir kısmı da oksitlenemeyen kısımdır. Bu durumda bakterini oksidasyon hızı (enerji üretimi için gerçek respirasyon);

bfdt

dX

Xadresp

a .).1

( −=

fd: hücrenin biyodegradable kısmı(oranı) Bakteri oksidasyonu nedeniyle inert kalıntı oluşum hızı ise;

bfdt

dX

Xadt

dX

Xadinert

aa ).1().1

().1

( −−==−

Xi = inert biyokütle konsantrasyonu Dolayısıyla net büyüme hızı;

bSK

S

dt

dX

Xadecsyn

a −+

=+==

∧

µµµµ ).

1(

Bizim için substrat kullanım hızını bilmek biraz daha önemli olup, bakteri büyüme hızı, substrat kullanım hızından türetilir. Bu durumda Monod denklemi;

aut XSK

Sqr

+−=

∧

Burada; rut = substrat kullanım hızı (mg/l zaman) ∧

q = maksimum spesifik substrat kullanım hızı, zaman -1



58

Bakteri büyümesiyle substrat kullanımı arasındaki ilişki ise;

Yq .∧∧

=µ Y = True Yield, yeni biyokütle üretiminde elektron vericiden gelen elektronların biyokütle elektronuna dönüştürürülen kısmıdır. Net hücre büyüme hızı;

aanet bXXSK

SqYr −

+=

∧

aaa bXXSK

SqYX

dt

dX−

+==

∧

µ , SK

Sqq

+=

∧

, bqY −=µ

Bazıları hücre faaliyetleri için gereken enerjiyi bakteri oksitlemesiyle karşılamak şeklinde düşünmektense; direk olarak substratın bir kısmınınbu enerjiyi karşılamak için kullanılması veya oksitlenmesi şeklinde düşünerek

)( mSK

SqY −

+=

∧

µ

Şeklinde ifade etmektedir. Burada m: substratın maintenance için kullanım hızıdır. Sistem karalı haldeyken iki yaklaşım arasında bir fark yoktur ve b=Ym’dir. PARAMETRELERİN DEĞERLERİ Biyokütle büyümesi ve substrat kullanımını belirleyen biyokinetik sabitler rastgele seçilmezler. Bu sabitlerin birimleri ve belli aralıkları vardır. Tablo3.1’de çeşitli bakteri grupları için verilmiş fs0ve Y değerleri vardır. Y değerleri aerobik için maksimum (0,5-0,6)



59

anaerobikler için ise minimum (0,05-0,1)dur. Aerobikler için Y değeri fs0 değerlerinden direk olarak tahmin edilebilir. Örneğin aerobik ve amonyumu azot kaynağı olarak kullanan bakteriler için Y=0,6 e-eq hücre /e-eq donor 4CO2+ NH4

+ + HCO3-+20H++20e→ C5H7NO2+ 9H2O

113g hücre =20 e-eq 2H++2e+1/2O2→ H2O 1mol O2 = 4 e-eq 1mol KOİ = 4 e-eq 32g KOİ = 4 e-eq 1 e-eq = 8gKOİ Buna göre; Y=0,6 e-eq hücre/ e eq donor * 113ghücre/20eqhücre * e eq donor/8gKOİ Y=0,42g VSS/gKOİ →BOİL

Eğer Y=0,5 eq hücre/ e eq subs ve azot kaynağı olarak nitrat kullanılırsa Y=0,5-eq hücre/ e eq donor * 113ghücre/28 e-eqhücre*e-eq donor/8gKOİ Y=0,25g VSS/gKOİ Bakterilerin genel enerji substratları için maksimum substrat tüketim hızı, elektron alıcıya akan elektron miktarına bağlıdır. 200C’de enerji reaksiyonlarına akan maksimum elektron

miktarı 1e-eq/gVSS.gün dür. Eğer bu değer e

q∧

ile gösterilirse; ∧

q = e

q∧

/fe0 ifadesi ile bulunur. Dolayısıyla q değeri fe0 değerine bağlıdır. fe0 ne kadar küçük ve fs0 ne kadar büyükse bakteri o kadar hızlı substrat tüketecektir. Dolayısıyla, hızlı büyüyen bakteriler büyük fs0, Y ve q değerlerine sahiptirler.

Sıcaklık ∧

q değerini etkilemektedir. Optimum sıcaklığa kadar, her 100C’lik sıcaklık artışı substrat tüketim hızını iki kat arttıracaktır. Bu durum aşağıdaki denklemde verilmiştir.

2020 )07.1( −

∧∧

= T

Tqq veya

TrT

TrTqq

−∧∧

= )07.1( b değeri de sıcaklıkla artar. Ayrıca b değeri hem ortam koşullarına hem de bakteri çeşidine bağlıdır.µ ile b’nin değişimi paralellik gösterir. µ değeri büyük ise b değeri de büyüktür. McCarty (1975) mikroorganizmaların biyodegradable (fd) kısmını 0,8 olarak bulunmuştur. Monod denklemindeki K değeri tahmini en zor olan parametredir. K değeri enzimin substrat aktivitesine bağlı olarak değişir. Süspanse biyo-reaktörlerde kütle transfer hızı ihmal edilerek K değeri içinde düşünülür ve bu durum K değerinin artmasına neden olur. Kolay parçalanabilen organik maddeler için kütle transfer reziztans (mass tranport resistance) ihmal edilirse K değeri 1 mg/l civarındadır. Zor parçalanabilen organik madde ve mass tranport resistance durumunda K değerleri 100mg/l’nin üzerine kadar çıkabilir. Dolayısıyla, K değerinin tahmini için deneysel verilere ihtiyaç vardır.



60

TEMEL KÜTLE DENGESİ

Kütle dengesi aktif biyokütle ve hız sınırlayıcı substrat için yazılır. Aktif biyokütle → 0 = µXaV-QXa substrat→ 0=QSo-qVXa-QS 0=Q(So-S)-qXaV

Denklem 1’de QVbSK

S−

−

+=

∧

µ0

Denklem 2’de SK

VSXqSSQ a

+−−=

∧

)(0 0

))/(1()/(

))/(1(

QVbQVqY

QVbKS

+−

+=

∧

)/(1

)( 0

QVb

SSYX

+

−=

Hidrolik bekleme zamanı =V/Q=T=θ Solid retention time (çamur yaşı) θX = sistemdeki aktif biyokütle /aktif biyokütle üretimi =µ -1 Kemostat reaktörlerde üretilen tüm bakteri dışarı atılır. Bu nedenle; θx=VXa/QXa = θ = 1/D olur.

)1(

)1(

XX

X

bqY

bKS

θθ

θ

+−

+=

∧



61

Bulunur.

)1(

)( 0

Xb

SSYX

θ+

−=

Çamur yaşı değişimi ile S ve X değişimi Şekil 3.3 de gösterilmiştir.

Buna göre;

1. Eğer θx çok küçükse S=So ve Xa=0 bu duruma wash out denir. Wash out’un başladığı θx değerine θxmindenir. Sistemin θx değerinin θxmin değerinden büyük olması istenir.

bKbqYS

SKo

X

−−

+=

∧

)(0

minθ

2. Eğer θx > θxmin substrat konsantrasyonu azalacaktır.

3. θx çok büyükse S değeri Smin adı verilen bir limit değere ulaşır. Smin, steady state bakteri büyümesini destekleyen minimum substrat konsantrasyonudur. θx sonsuza giderse S→Smin olur.

)1(

)1(

XX

X

bqY

bKS

θθ

θ

+−

+=

∧

)/1(

)/1(

bqY

bKS

X

X

+−

+=

∧

θ

θ



62

Eğer θx sonsuza giderse 1/ θx = 0 olur ve S=Smin olur.

Buna göre; bqY

KbS

−

=∧min olur.

Eğer S<Smin ise net spesifik büyüme hızı negatif olur ve biyo kütle konsantrasyonu zamanla azalır. Dolayısıyla ancak S≥Smin ise steady state biyo kütle ortam da tutulabilir.

4. θx büyükse Xa artar fakat yüksek θx lerde Xa değeri azalmaya başlar. Bunun nedeni ise;içsel solunum ön plana çıkmasıdır.Eğer θx sonsuza giderse Xa sıfıra yaklaşır.

Reaktörlerin sorunsuz işletilmesi için mühendisler bir mikrobiyolojik emniyet katsayısı seçer. Emniyet kat sayısı =θx/θxmin olup bu değer 5ila100 arasındadır. İNERT BİYOKÜTLE ve UÇUCU KATILAR İÇİN KÜTLE DENGESİ Bakterinin bir kısmı self oksidasyona dayanıklı olduğundan self oksidasyon sonrasında inert biyokütle birikecektir. Ayrıca giriş atık suyu refractory uçucu katı içermektedir. Atıksuyun içindeki bu inert uçucu katı ile inert biyokütleyi birbirinden ayırt etmek oldukça zordur. İnaktif biyokütle için kütle dengesi yazarsak; 0 = (1-fb)bXaV + Q(Xi0-Xi) Xi = Xi0+θ(1-fb)*Xab

• Çamur yaşı arttıkça Xi değeri Xi0 değerinden maksimum olan Y(So-Smin)(1-fd)+Xi0 değere gider. Dolayısıyla, yüksek çamur yaşlarında işletim inert biyükütlenin birikmesine neden olur.

Xi ile Xa’nın toplamı Xv (uçucu askıda katı madde) olarak gösterilirse ve kemostat için θx = θ olup, Xv=Xi+Xa⟹Xi0+Xa(1-fd)bθ+Xa Xv=Xi0+Xa(1+bθ(1-fd))

))1(1(1

)( 00

dX

X

iv fbb

SSYXX −+

+

−+= θ

θ→kemostat için

Net dönüşüm katsayısı ise;

X

Xd

nb

bfYY

θ

θ

+

−+=

1

)1(1

Yn ile Y arasındaki ilişki ile fs ilefs0 arasındaki ilişki benzerdir. fs=fs0



63

X

Xd

ssb

bfff

θ

θ

+

−+=

1

)1(10

ÇÖZÜNMÜŞ MİKROBİYAL ÜRÜNLER Bakteriler substrat kullanımı ve yeni hücre olşumunun yanı sıra çözünmüş mikrobiyal ürünler üretilir. SMP adı verilen bu ürünler hücrenin bir bileşeni olup çürüme sırasında ortama verilir, hücre membranından difüze eder ve sentez ile yok olur. Moleküler ağırlıkları orta derecede olup, biyolojik olarak parçalanabilirler. SMP’lar katabolik ara ürünlerden farklıdır. SMP oldukça önemli olup, arıtma tesisi çıkışındaki BOİ ve KOİ’ nin çoğu SMP’den gelmektedir. SMP’lar metaller ile kompleks oluşturur. Ayrıca, renk ve köpük olşumuna sebep olur. SMP ikigruba ayrıla bilir. İlk grup UAP substrat utilization associated products (UAP)olark bilinen ve substrat tüketiminden kaynaklanan SMP dir. Oluşum kinetiği ise; rUAP=-k1*rut k1:UAP oluşum katsayısı İkinci kategori ise BAP (biomass associoteed product)olarak bilinir ve mikroorganizmadan kaynaklanan çözünmüş mikrobiyal ürünlerdir. Oluşum kinetiği ise rBAP = k2*Xa k2 : BAP oluşum hız katsayısı Yapılan çalışmalar göstermiştir ki oluşan mikrobiyal ürünler her ne kadar parçalanabilir de olsa, oldukça heterojen olup her oluşan ürün farklı biyodegradasyon kinetiğine sahiptir. Fakat SMP arıtım kinetiği henüz çözülebilmiş değildir. Fakat UAP ve BAP ların biyodegrasyan kinetikleri farklı olup ayrı Monod denklemi ile verilir.

a

UAP

UAP

UAP XUAPK

UAPqr

+

−=

∧

−deg

a

BAP

BAP

BAP XBAPK

BAPqr

+

−=

∧

−deg

UAP ve BAP için steady-state kütle dengesi yazılırsa;

UAPQVXUAPK

UAPqVrk a

UAP

UAP

ut .0 1 −+

−−=

∧

BAPQVXBAPK

BAPqVXk a

BAP

BAPa .0 2 −

+−−=

∧

Bu denklemler çözülürse;



64

2

4)(

2

)( 12

11θθθθθ utUAPutUAPaUAPutUAPaUAP

rkKrkKXqrkKXqUAP

−+++

++−=

2

4))((

2

))(( 22

22θθθ aBAPaBAPBAPaBAPBAP

XkKXkqKXkqKBAP

+−++

−+−=

rut'un değeri negatif olup, aşağıdaki formül ile bulunabilir.

SK

SXqsSr a

ut+

−=−

−=

∧

θ

)( 0

SMP oluşum ve tüketim katsayılarını belirlemek oldukça zor olup, Noguero(1991) aşagıdaki değerler önemsenmiştir. k1=0,12 gKOİp/g KOİs k2=0,09gKOİp/gUSSa-d qUAP=1,8gKOİ/gUSSa-d kUAP100mgKOİp/l qUAP/kUAP=18 l/gUSSa-d qBAP=0,1gKOİp/gUSSa-d kBAP=85mgKOİp/l qBAP/kBAP=1,2l/gUSSa-d Bu sonuçlar göstermektedir ki substratın önemli bir kısmı UAP oluşumuna gitmektedir. Şöyleki k1=0,12 gKOİp/g KOİs demek substratın %12’elektron alıcı veya vericiye gitmeden UAP olarak ortama salınmaktadır. İkinci önemli nokta ise; BAP oluşumu aktif biyokütle miktarını önemli derecede azaltmaktadır (0,1 gKOİp/gVSSa-d). Üçüncü önemli nokta ise; UAP, BAP’dan çok daha hızlı tüketilmektedir. Örnek V=2000 m3 hacmindeki kemostat Q=1000m3/gün debisi ile beslenmektedir. Atıksu sadece biyolojik olarak parçalanabilir birleşikler içermekte olup So=500 mg/l dir. Ayrıca inert VSS Xi0=50mgVSS/l dir. Elektron verici hız sınırlayıcı olup aerobik oksidasyon için aşağıdaki değerler verilmiştir. Performansını analiz ederek çıkış değerlerini hesaplayın. q=20 gBAP/gVSS a-d k2=0,09 gKOİp/gVSSa-d Y=0,42 gUSSa/g BAP qUAP=1,8gKOİ/gVSSa-d K=20 mgBAP/l kUAP100mgKOİp/l b=0,15/d qBAP=0,1gKOİp/gVSSa-d fd=0,8 kBAP=85mgKOİp/l k1=0,12 gKOİp/g KOİs Smin= K *(b/Y*q-b) Smin=0,36 mg BOD/l θxmin=1/θx=Yq-b 1/θx=(qS*Y/K+S )-b θx= θxlim ise S=So



65

1/ θxlim=qY-b θxmin

lim=1/20*0,42-0,15=0,12 gün 1/θxmin=q*So*Y/(K+So) -b → θxmin=0,126 gün θx=2 gün θx güvenlik katsayısı = θx/ θxmin2/0,126=16 Çıkışsubstrat konsantrasyonu ise;

)/1(

)/1(

bqY

bKS

X

X

+−

+=

∧

θ

θ

=1,7 mg/l

)1(

)( 0

X

ab

SSYX

θ+

−= =161 mg/l

Xi=Xi0+θ(1-fb)*Xab =60mg USS /l Xv=Xi+Xa = 161+60=221 mg USS /l SMP oluşumu ise; rut=-(So-S)/θ=-249 mg BAP /l*d (qUAPXaθ+kUAP+k1rutθ)=620 mgKOİ/l UAP=9,5 mg KOİ /l BAP=22,3mgKOİ/l SMO=9,5+22,3=31,8 mgKOİ/l Çözünmüş KOİ =S+SMP =1,7+31,8=33,5 mgKOİ/l Görüldüğü gibi çıkış KOİ değerinin önemli bir kısmı SMP den dolayı oluşmaktadır. Çıkıştaki toplam KOİ ise çözünmüş KOİ ile biyokütleden gelen KOİ’den oluşur. Buna göre; Toplam KOİ =Çözünmüş KOİ+1,42Xv =347 mgKOİ/l Toplam BOİ =çözünmüş BOİ +1,42Xafd =216 mg/l Birçok deşarj standardında BOD yerine BOİ5 kullanılı . BOİ5=BOİl(1-e-kt) K değeri atıksu organiğine bağlı olarak değişmekle beraber orijinal atıksu için 0,23 gün-1 aktif biyokütle için 0,1 gün-1, SMP için 0,03 gün-1 olarak alınabilir. Orginal atık su için BOİ5/BOİl=0,68 Aktif biyokütle için BOİ5/BOİl=0,40 SMP için BOİ5/BOİl=0,14 NUTRİENTLER ve ELEKTRON ALICILAR



66

X

Xd

utnnb

bfYrr

θ

θγ

+

−+=

1

)1(1

γn. Nutrient /USS oranı rn:nutrient kullanım hızı En önemli nutrientler N ve P dir. Bakteri formülü C5H7NO2 olup γn=14/113=0,124 P ise azot ihtiyacının 520’si kadardır. γp=0,2*0,124 =0,025 g p/g USS Nutrient için kütle dengesi yazılırsa, 0=Q*Cn0-Q*Cn + rnV Cn=Cn0+θrn Giriş oksijen ihtiyacı=Qs0+1,42 gKOİ/gUSS*XvQ Çıkış oksijen ihtiyacı=Qs+Q(SMP)+1,42XvQ Dolayısıyla O2 ihtiyacı giriş O2ihtiyacı ile çıkış oksijen ihtiyacı farklı olacaktır. ∆So/∆t=γa*Q(So-S-SMP+1,42(Xu0-Xv)) γa=elektron alıcı kütlesi/oksijen ihtiyacı, bu değer oksijen için 1 ‘dir. NO3

—N için ise γa=0,35gNO3—N/g KOİ

Örnek :Aşağıda kemostat sonuçları verilen durum için rn ,rp çıkış N ,P ve oksijen ihtiyacını bulun So=500 mg /l BOİL S=17 mg /l BOİL Xı0=50 mg VSS/l Xu=221 mg VSS/l SMP=31,8 mg BOİL/l rut= 249 mg BOİL/l giriş N=50mg P=10mg

X

Xd

utnnb

bfYrr

θ

θγ

+

−+=

1

)1(1

6.102*15.01

2.15.0)8.01(142.0).249(124.0 −=

+

−+−=nr

rn=-10,6 mgN/l.d rp=0,2*(-10,6)=-2,1mg P/l.d QC0-QC+rn*V=0 C=QC0+rnV/Q C=C0+rnθ=50-10,6 mg N/lgün*2 gün CN=28,8 mg/l CP=10-2,1*2=5,8 mgP/l



67

Gerekli oksijen ihtiyacı ise; 1 gO2/gKOİ*1000m3/gün*(500-1,7-31,8+1,42(50-221)) 103l/m3*10-3g/mg=2,24*105g O2/l*d Girişteki O2 konsantrasyonu, oksijen ihtiyacı yanında önemsiz olup, dışarıdan oksijen verilmesi gereklidir. Verilmesi gerekli O2 ise; R O2=gereken O2 ihtiyacı –Q(So0-So) So0:girişteki e-alıcı konst. R O2=2,20*105g O2/gün So: çıkıştaki e-alıcı kons. PARTİKÜL ve POLİMERİK MADDELERİN HİDROLİZİ Hidroliz oldukça önemlidir. Çünkü atıksudaki organiklerin büyük kısmı partikül halinde olup hücre zarından geçebilmeleri için öncelikle hidrolize uğraması gerekir. Hidroliz hızının tahmini oldukça zordur. Çünkü üretilen hidrolitik enzim miktarı ne aktif kütle konsantrasyonu ile bağlıdır ne de enzim direk olarak aktif kütleyle ilişkilendirilebilir. Basit fakat doğru sonuç veren bir yaklaşım ise; hidroliz hızının partikül madde konsantrasyonu ile 1. dereceden olduğunu kabul eden yaklaşımdır. rhyd=-khyd*Sp Temel olarak, khyd hidrolitik enzim konsantrasyonu ile orantılıdır. Bazı araştırmacılar ise khyd içine aktif biyokütleyi de katmaktadır. Bu durumda; khyd=k’ hyd*Xa olacaktır. k’ hyd: spesifik hidroliz hız sabiti (m3/mg USS* zaman ) Bu yaklaşım avantajı, aktif biyokütle konsantrasyonu sıfır ise hidroliz sıfır olacaktır. Bu yaklaşımın dezavantaji ise; hidrolitik enzim miktarı ile biyokütle konsantrasyonunun lineer olarak değiştiğinin kabul edilmesidir. Steady- state kütle dengesi; 0=Q(Sp0-Sp)-khyd*Sp*V

1+=

θhyd

o

p

pk

SS

Buradaki θ hidrolik bekleme zamanı olup θx ile karıştırılmamalıdır. Partikül halindeki substratın hidrolizi sonucu, çözünmüş substrat üretilir ve BOİl korunur. Hem partikül halindeki substrat hem de çözünmüş substrat BOİL ile ölçülür. Partikül halindeki substratın parçalanması çözünmüş substrat oluşumuna yol açacaktır. Dolayısıyla partikül halindeki substratın parçalanması nedeniyle çözünmüş substrat oluşum hızı basit olarak khyd*Sp olacaktır. Dolayısıyla çözünmüş substrat için kütle dengesi;



68

QVSkSK

QVSXqSS phyd

a //

)(0 0 ++

−−=

∧

Hidroliz sırasında sadece BOİL değil aynı zamanda nütrientlerde ortama verilir. Bu durumda

phydnhydN Skr γ= formülü ile bırakılan nütrientin hızı bulunur. Burada γn=partikül halindeki

subsratın içerisinde n nütrient oranıdır. Örnek: hidrolizin etkisi. Örnek 3.1 de 500mg/l BOİL ile beslenen kemostat için çözüm yapılmıştı. Bu örnek için S=1,7mg/l Xa=161 mgUSS/l Xv=221 mgUSS/l SMP=32 mgKOi/l Çözünmüş BOİL=33,5mg/l Toplam KOİ=348 mg/l Aynı örnek için şimdi girişin 100 mg/L partikül içerdiğini ve khyd =0,2 gün-1 olduğunu kabul edelim. Buna göre;

1) Oluşucak Sp=100/(1+0,2*2)=71 mg/l

2) Kemostat için θx=θ olup S=1,7 mg/l

3) Girişteki substrat konsantrasyonu ise artık ;

So=500mg/l+(100-71)=529 mg/l

Xa=0,42*(529-1,7)*1/(1+bθx), Xa=170mg VSS/l Xi=Xi0+(1-fd)bXaQ Xi=60 mg VSS /l 4)UAP =9,4 mgKOİ/l BAP=23,2 mgKOİ/l SMP=32,6 mgKOİ/l 5)Çıkış KOİ, BOİ konsantrasyonları Xa, Xi ve SMP ile ve çıkış partikül substrattan, Sp etkilenir. Çözünmüş KOİ ve BOİL=S+SMP=34,4mg/l Toplam KOİ =S+SMP+1,42 Xv=432mg/l Toplam BOİL=S+SMP+1,42fdXa+Sp=299mg/l İNHİBİSYON Substrat kullanımı ve mikrobiyal büyüme inhibitör madde varlığında azalacaktır. İnhibitörlere örnek; ağır metaller, aromatik hidro karbonlar ve klorlu solventlerdir. İnhibisyon karışık bir



69

durum olup bazı durumlarda inhibitör madde belirli bir enzimi etkileyerek substrat kullanımı hızını düşürür. Bazı durumlarda ise hücrenin daha genel bir özelliğini etkileyerek biyo kütle konsantrsayonun düşmesine, substrat kullanım hızının düşmesine sebep olacaktır. Şekilde inhibitörün bağlanabileceği önemli noktalar gösterilmiştir. İnhibitörün etkisiyle ilk olarak substrat kullanım hızı düşer. Sonraki adımda ise azalan elektron akışı ve enerji akışıyla birlikte biyokütle konsantrasyonunda azalmalar gözlenir. Decoupler lar ise enerji oluşumunu azaltır. Elektronların vericiden alıcıya akışı devam etse de decoupler bulunması nedeniyle enerji üretimi azalacaktır. Bazı durumlarda decoupling bulunmasıyla elektron alıcı kullanımı artar. Bunu nedeni ise; düşük enerji üretimini kompense edebilmek için bakteri elektron alıcıya daha çok elektron gönderir. İnhibitör varlığında substrat kullanımı ve biyokütle üretimini modellemede efektif kinetik parametreler kullanılır. Bu yolla daha önce kullanılan modeller geçerliliğini korusa da inhibitör varlığı parametrelerin değerlerini değiştirecektir. Buna göre; inhibitör varlığında hız denklemleri;

a

eff

effut XSK

Sqr

+−=

∧

,

effeffuteffeff brY −−= )( ,µ

Bu bölümde en çok gözlenen inhibisyon çeşitleri üzerinde durulacaktır. Aromatik hidrokarbonlar ve solventler için gözlenen en önemli inhibisyon çeşidi kendi-kendini inhibisyondur. Bu durum Haldane veya Andrew kinetiği ile modellenebilir. Bu inhibisyon çeşidinde, substratın degradasyonu yüksek substrat konsantrasyonlarında azalır. Bu inhibisyonda substrat düşük konsantrasyonlarda toksik olmadığı halde yüksek konsantrasyonlarda toksik olup kendi kendini inhibe eder. Kendi kendini inhibisyon Haldane veya Andrew denklemi olarak bilinen denklem ile verilir. Şekilde görüldüğü üzere düşük substrat konsantrasyonlarında hız substrat konsantrasyonun artmasıyla artmakta, fakat belli bir substrat konsantrasyonunda hız maksimum olup substrat konsantrasyonun daha fazla artması hızı düşürecektir. Haldane denklemi CSTR (kemostat)’ a uygulanır ve θx’in S üzerine etkisi incelenirse şekilde görüldüğü üzere, belli bir θx değerinden sonra, her bir θx’e iki S karşılık gelecektir. i günde n daha büyük olduğu durumlar için her bir θx değerine iki S karşılık gelecektir. Peki hangi değer doğru? Bu tamamen reaktörün steady-state değerine nasıl ulaştığıyla alakalıdır. Eğer atık sudaki toksik madde konsantrasyonu 45mg/l ise ve bu su reaktöre direk olarak doldurulur ve reaktör θx = 10 günde işletilirse reaktör çıkış konsantrasyonu 33 mg/l olacaktır. Eğer arıtıma başlarken reaktörün içindeki atıksu seyreltilir ve 33 mg/l veya daha düşük yapılırsa steady –state de çıkış konsantrasyonu 1mg/l’nin altında olacaktır.



Şekil. Kendi kendini inhibisyon ve Andrew denklemi

Şekil. Andrew denklemine göre S ile

En çok gözlenen ikinci inhibisyon çedurumda serbest substratın kendisi deYarısçıl inhibitör degradasyondan sorsubstratın enzimin aktif bölgesine basedece yarı hız sabitini etkiler ve keff =>

Düşük degeri yüksek toksisit

korsanstrasyonlarında inhihisyon tamamen azalabilir. Çünkü

Ders Notları

ekil. Kendi kendini inhibisyon ve Andrew denklemi

ekil. Andrew denklemine göre S ile θx arasındaki ilişki

En çok gözlenen ikinci inhibisyon çeşidi ise competitive yani yarışcıl inhibisyondur. Bu

kendisi değil başka bir madde inhibisyona dasyondan sorumlu enzimin aktif bölgesine bağbölgesine bağlanmasına engel olmuş olur. Bu durumda inhibitör I

sedece yarı hız sabitini etkiler ve keff =>

olur.

degeri yüksek toksisite anlamına gelmektedir. Yüksek substrat

korsanstrasyonlarında inhihisyon tamamen azalabilir. Çünkü ∧

effq , ∧

q

70

şki

şcıl inhibisyondur. Bu neden olmaktadır.

umlu enzimin aktif bölgesine bağlanır ve böylece olur. Bu durumda inhibitör I

anlamına gelmektedir. Yüksek substrat

değerine yaklaşır.



71

Yarışçıl inhibisyona örnek verecek olursak; büyüme substratı olarak metanın kullanılması durumunda TCE varlığında yarışçıl inhibisyon gözlenir. Burada ilk basamak metanın, metan monooxygenose (MMo) enzimi ile metanole oksitlenmesidir. Metandaki karbona bağlı hidrojen –OH grubu ile yer değiştirir. Burada TCE ve metan aynı enzim için yarışır. TCE’nin varlığı metan giderim hızını etkiler ve sonuç olarak metan varlığı MMO’nun TCE ile olan reaksiyon hızını da etkiler. Aşağıdaki şekilde bu durum gösterilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi 20mg TCE metan kullanım hızını önemli derecede azaltmaktadır. Ayrıca metan konsantrasyonunun artması TCE giderim hızını ciddi derecede düşürmektedir. TCE giderim hızı ise;

a

eff

TCE

ut XTCEK

TCEqr

+−=

∧

)1(I

eff KSKK +=

Burada S= metan konsantrasyonu.

Şekil. Competitive inhibisyon Üçüncü inhibisyon çeşiti ise: nonrcompetitive inhibisyondur. Competitive inhibisyonda substrat ile inhibitörün yapıları çok benzerdir. Örnegn; fenol ve 4-kloro fenol gibi. Ayrı bir inhibitör tarafından sebep olan üçüncü inhibisyon çeşidi ise ‘noncompetitive inhibisyon’dur. Bu durumda, inhibitör enzim de reaktif bölgeden başka bir bölgeye bağlanarak enzimin yapısını bozar ve substrat kullanımı yavaşlar. Bu durumda etkilenen parametre qeff dir. qeff=q/(1+I/KI) Noncompetitive inhibitör varlığında yüksek substrat konsantrasyonlarında toksik etki azaltılamaz. Toksik etki tüm substrat konsantrasyonları için geçerlidir. Bu enzim çeşidine allosterik inhibisyonda denir. Bu inhibisyonda substrat ve inhibitör maddenin yapısal bir benzerlik içermesi gerekmez. Competitive inhibisyonda sadece K, non-competitive



72

inhibisyonda ise sadece q etkilenir. Bazı durumlarda competitive ve non-competitive inhibisyon etkisi aynı anda gözlenir. Yani hem q hem de K inhibitörden etkilenir. Bu durum da uncompetitive inhibisyon olarak adlandırılır.

I

effKI

qq

/1+=

∧

)/1( Ieff KIKK +=

Mixed inhibisyon; uncompetitive inhibisyonun daha genel hali olup KI farklı değerler alabilir. Son inhisyon çeşidi ise: decouplingdir. Decoupling inhibitörü, örneğin aromatik hidrokarbonlar, stoplazma membranını protonlar için geçirgen yaparlar. Bunun sonucunda stoplazma membranı dışındaki proton motive force azalır ve ATP sentezi düşer. Decoupler bazı durumlarda protonophones olarakta bilinir. Bu durumda Yeff azalır ve/veya beff artar. Bu durumda decoupling inhibisyon aşağıdaki gibi modellenir.

I

effKI

YY

/1+= )/1( Ieff KIbb +=

Bazı durumlarda, bir reaksiyonun ürünleri inhibitör olarak davranabilir. Bu duruma verilebilecek en genel örnek ise alkol fermantasyonudur. Etanolun şekerden üretilmesiyle oluşan etanol toksik etki yapabilir. Şarap üretiminde, şekerden etanol üretilerek konsantrasyon %10-13’e kadar ulaşır ve bu noktada etanol toksitesinden dolayı fermantasyon durur. Buda içerisindeki alkol oranının neden %10-13 arasında olduğunu açıklamaktadır. DİĞER ALTERNATİF HIZ DENKLEMLERİ Monod modeli en çok kullanılan modeldir. Diğerleri ise; Contois model;

SBX

SXqr

a

a

ut+

−=

∧

B→bir sabit

Bu modele göre spesifik reaksiyon hızı Xa ya bağlı olup yüksek biyokütle konsantrasyonlarında spesifik substrat kullanma hızı düşecektir. Spesifik substrat kullanma hızı =q

SBX

Sqq

a +=

∧

yüksek bakteri (biyokütle )konsantrasyonunda

SBX

SXqr

a

a

ut+

−=

∧



73

Xa→∞ ise a

utBX

Sqr

∧

−= olur

Yani yüksek biyokütle konsantrasyonlarında substrat kullanım hızı S ile birinci dereceden ilişkili iken Xa’dan bağımsızdır. Contois denklemi özellikle partikül halindeki substratın hidrolizinde (ön çökeltme ve aktif çamur) kullanılmaktadır. Bu durum deneyler ile degösterilmiş olup hidroliz hızı bakteri konsantrasyonundan bağımsızdır. Çok düşük biyokütle konsantrasyonlarında dahi bu durum gösterilmiştir. Bunun nedeni ise; hidroliz reaksiyonu extracellular enzimlerle gerçekleşmekte olup bakterinin kendisi tam anlamıyla kullanılmamaktadır.

Hidroliz için tipik ∧

q /B değeri 1-3 gün-1 dir. Diğer iki önemli alternatif denklemler ise Moser ve Tessier denklemleridir.

γ−

∧

+−=

SK

SXqr a

ut → Moser

aK

S

ut Xeqr )1( −−=∧

→ Tessier Eğer birden fazla substrat limiting substrat ise hız denklemi;

a

A

ut XAK

A

SK

Sqr

++−=

∧

olup dual limitation denir.

Çevre b İyoteknoloj İsİ ders notlarieng.harran.edu.tr/moodle/moodledata/121/environmental... ·...

Documents