Atık Aktif Çamuru Anaerobik Çürüten Mikrobiyal Toplulukların Metabolik Modellemesi

Abstract

Sanayileşme ve kentleşmenin hızla artması, kaynakların bilinçsizce kullanılmasına ve ciddi atık sorunlarına yol açmaktadır. Atıkların yönetimi ve geri dönüşümü, günümüz dünyasında çevresel sürdürülebilirlik açısından kritik bir öneme sahiptir. Özellikle atık su arıtma tesislerinde oluşan atık aktif çamur (AAÇ), çevre mühendisliği ve biyoteknoloji alanlarında ele alınması gereken zorlu bir sorundur. Anaerobik çürütme (AÇ) yöntemi, bu atıkların biyogaza dönüştürülerek enerji geri kazanımı sağlayan etkili bir çözüm sunmaktadır. AÇ sürecinin başarısı, bu süreçte rol oynayan mikrobiyal toplulukların kompozisyonu ve metabolik aktivitelerine bağlıdır. Firmicutes ve Methanosarcina gibi mikroorganizmalar, organik maddelerin biyogaza dönüşümünde kritik bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada, dinamik akı denge analizi (dFBA) yöntemi kullanılarak mikrobiyal toplulukların metabolik aktiviteleri MATLAB ve COBRA araç kutusu aracılığıyla modellenmiştir. dFBA, mikrobiyal toplulukların zaman içindeki metabolik değişimlerini incelemek için güçlü bir araçtır ve bu süreçteki çevresel değişimlere nasıl tepki verdiklerini simüle eder. Özellikle Firmicutes ve Methanosarcina'nın hücre dışı Sulfate, LAlanine, LArginine, LMethionine, Spermidine, meoh_e, so3_e, h2_e, so4_e, ac_e gibi metabolit konsantrasyonları ve bu iki organizmanın biyokütle değişimi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, Firmicutes ve Methanosarcina'nın biyokütle büyümelerinin 10 adım boyunca arttığını ve metabolit konsantrasyonlarındaki değişimlerin anaerobik çürütme sürecinin verimliliğine önemli katkı sağladığını göstermiştir. Bu çalışma, sürdürülebilir atık yönetimi stratejilerinin geliştirilmesine katkı sağlamakta ve biyogaz üretim sistemlerinin optimizasyonu için önemli bir adım sunmaktadır. Anahtar Kelimeler: Anaerobik çürütme, dinamik akı denge analizi (dFBA), mikrobiyal topluluklar, Firmicutes, Methanosarcina, biyogaz üretimi, MATLAB, COBRA araç kutusu, genome ölçekli metabolik modeller (GEM), atık yönetimiThe rapid increase in industrialization and urbanization has led to the unconscious use of resources and serious waste problems. Waste management and recycling are critically important for environmental sustainability in today’s world. Waste activated sludge (WAS), which is generated in wastewater treatment plants, is a challenging issue that needs to be addressed in the fields of environmental engineering and biotechnology. Anaerobic digestion (AD) provides an effective solution by converting this waste into biogas, enabling energy recovery. The success of the AD process depends on the composition and metabolic activities of the microbial communities involved. Microorganisms such as Firmicutes and Methanosarcina play a crucial role in the conversion of organic matter into biogas. In this study, the metabolic activities of microbial communities were modeled using the dynamic flux balance analysis (dFBA) method via MATLAB and the COBRA toolbox. dFBA is a powerful tool to examine the metabolic changes of microbial communities over time and simulate how they respond to environmental changes during this process. The extracellular concentrations of metabolites such as sulfate, L-alanine, L-arginine, L-methionine, spermidine, meoh_e, so3_e, h2_e, so4_e, and ac_e, along with the biomass changes of Firmicutes and Methanosarcina, were analyzed. The results revealed that the biomass growth of Firmicutes and Methanosarcina increased at different time points, and changes in metabolite concentrations significantly contributed to the efficiency of the anaerobic digestion process. This study contributes to the development of sustainable waste management strategies and represents an important step towards optimizing biogas production systems. Keywords: Anaerobic digestion, dynamic flux balance analysis (dFBA), microbial communities, Firmicutes, Methanosarcina, biogas production, MATLAB, COBRA Toolbox, genome-scale metabolic models (GEM), waste management