Evaluation of the biodiesel and feedstock production efficiency of five chlorella species isolated from different volcanic lakes in Turkey

Abstract

Güneş enerjisini kullanarak hedef biyomoleküllerin daha verimli üretimine olanak sağlamasından dolayı, mikroalgler; fosil yakıt kaynaklı petrol ürünleri karşısında en değerli yenilebilir alternatif enerji kaynağı olarak yerini almış durumdadır. Mikroalgler geniş bir çeşitliliğe sahiptirler ve farklı türlerinin çevresel faktörlere değişken şekillerde cevap veriyor olmaları sebebiyle, hedeflenen ürünlerin en yüksek düzeyde verimine ulaşabilmek için en iyi tür ya da suşun seçilmesi gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmada; Türkiye'deki farklı volkanik göllerden izole edilen 5 Chlorella türünün biyodizel ve hammadde üretim verimliliğinin karşılaştırılması amaçlanmıştır. Bunun için; Chlorella sp. ArM0029B, Chlorella vulgaris C-27, Chlorella vulgaris ESP-31, Chlorella sp. ESP 6, ve Chlorella variabilis mikroalg türleri, hücre metabolitlerinin üretimini maksimize etmek üzere başvurulan en yaygın yöntemlerden olan azot açlığına bırakılmış ve her bir türün verdiği cevaplar, kontrol grubuyla birlikte, lipit üretimi, protein konsantrasyonları, klorofil ve karotenoid seviyeleri ve karbohidrat birikim miktarları üzerinden iki farklı karşılaştırmaya olanak sağlayacak şekilde ölçülmüştür: İlk olarak, hangi mikroalgin en yüksek miktarda metabolit üreteceği sorusuna cevap verebilmek için, aynı koşullar altında beş türün her birinin toplam biyomolekül verimliliği karşılaştırılmıştır. İkinci olarak, kontrollü şartlarda azot açlığına bırakılmış türlerin toplam biyomolekül miktarlarında ortaya çıkan farklılıklar türler arasında karşılaştırılmıştır. Böylelikle, her bir mikroalgin verimlilik derecesi belirlenerek, incelenen 5 mikroalgden biyoteknoloji uygulamalarında kullanımına imkan veren en iyi türün seçilmesi konusunda değerlendirme yapılmıştır. Azot açlığında kontrollü grup ile karşılaştırıldığında, her bir mikroalgin büyüme hızında düşüş yaşanmış, Chlorella vulgaris C-27 ve ESP-31 en yüksek büyüme oranı göstermiştir. Lipid açısından bakıldığında; 4 Chlorella türünün lipid içeriği % 26-50 oranında artmış, fakat Chlorella sp. ESP-6 %13 oranında düşüş yaşamıştır. Genel olarak en yüksek lipid birikimi Chlorella vulgaris C-27 ve ESP-31'de mevcut olduğu gözlemlenmiştir. Azot açlığı altında büyümede 4 mikroalgin protein konsantrasyonu %14-20 oranında azalmış, fakat Chlorella variabilis'de %27 oranında artmıştır. Kontrollü şartlar altında büyümede Chlorella vulgaris ESP-31 en yüksek protein konsantrasyonuna sahiptir. Klorofil ve karotenoid düzeyi klorofil/karotenoid oranı olarak bildirilmiştir. Azot açlığında kontrollü grupla karşılaştırıldığında bu oran azalmıştır. Bu azalma klorofil düzeyindeki azalmayı, karotenoid düzeyindeki artışı gösterir. Chlorella vulgaris C-27'nin en düşük klorofil/karotenoid oranına sahip mikroalg olduğu bulunmuştur. Lipid ve karbohidrat içeriğini ölçmek için FTIR kullanılmıştır. Nile Red method'unda olduğu gibi, FTIR'dan elde edilen sonuçlar azot aç ortamda büyüyenlerin normal büyüme ortamındakilere göre TAG miktarlarında bir azalma olduğunu göstermiştir. En yüksek TAG birikiminin Chlorella vulgaris C-27 ve ESP-31'de olduğu bulunmuştur. Ayrıca azot açlığında Chlorella vulgaris ESP-31'de karbohidrat seviyesinde bir artış olduğu da gözlemlenmiştir. Bu çalışmanın sonucu; kullanılan 5 mikroalgden; Chlorella vulgaris C-27 ve ESP-31'in en yüksek miktarda istenilen ürünleri verdiği, böylece bu türlerin en yüksek biyodizel ve hammadde üretim verimliliğine sahip olduğu ve biyoteknolojik uygulamalarda maksimum fayda için en iyi adaylar olarak öne çıktığını göstermiştir. Anahtar kelimeler: Mikroalg, biyodizel, hammadde, biyomolekül, azot açlığı, TAG

Because they are more efficient at harvesting the energy of the sun to produce desirable biomolecules, microalgae have garnered the position as the most valuable candidate to serve as a renewable alternative energy source to our present fossil-fuel derived petroleum. Since microalgae are immensely diverse and different species/strains respond to environmental stress at varying degrees, in order to obtain the highest yield of desired products, it is essential to select the best species/strain that is able to synthesize the highest amount of these biomolecules. The objective of this study was to make a comparative evaluation of the biodiesel and feedstock production efficiency of five Chlorella species/strains isolated from different volcanic lakes in Turkey. The Chlorella, namely Chlorella sp. ArM0029B, Chlorella vulgaris C-27, Chlorella vulgaris ESP-31, Chlorella sp. ESP-6, and Chlorella variabilis, were subjected to nitrogen deprivation, a commonly employed approach for maximizing the production of certain metabolites in microalgae, measured against a controlled group, and their responses, mainly in terms of growth, lipid production, protein concentration, chlorophyll and carotenoids level, and carbohydrates accumulation, were analyzed; two sets of comparisons were made: a comparison of the total yield of biomolecules of each of the five species (an answer to the question: which microalga produces the highest amount of metabolites), and comparison of the total yield of biomolecules as a result of growth under controlled conditions and nitrogen deprivation (an answer to the question: how does the total yield of biomolecules differ when microalgae are grown under controlled conditions and nitrogen deprivation?); by so doing, the extent of the efficiency of each microalga would be determined, thus, the selection of the best species/strain of the five to serve as the subject of biotechnological exploits would be possible. Under nitrogen deprivation compared to controlled conditions, each of the five microalgae experienced a decrease in their growth rate; of the five, Chlorella vulgaris C-27 and ESP-31 displayed the highest growth rate. In terms of lipids, four Chlorella experienced an increase in their lipid content (26-50% increase), but Chlorella sp. ESP-6 experienced a 13% decrease. Overall, the highest lipid accumulation was present in Chlorella vulgaris C-27 and ESP-31. The protein concentration of four microalgae decreased (by 14-20%) when grown under nitrogen deprivation, but the concentration of proteins in Chlorella variabilis increased by 27%, something that had not been reported previously. The microalga that had the highest protein concentration is Chlorella vulgaris ESP-31, obviously when grown under controlled conditions. The chlorophyll and carotenoids level was reported as a ratio of chlorophylls to carotenoids; under nitrogen deprivation compared to controlled conditions, there was a decrease in this ratio, an indication of a decrease in the chlorophyll level and an increase in carotenoids. The microalga that had the lowest ratio, indicating the sharpest balance between chlorophylls and carotenoids, is Chlorella vulgaris C-27. FTIR was employed to quantify the lipids and carbohydrates content. Like the Nile Red method, the results obtained from FTIR showed a decrease in relative TAGs when microalgae were grown in nitrogen deprived media compared to those grown in normal media. Also, the highest TAGs accumulation was present in Chlorella vulgaris C-27 and ESP-31. There was also an increase in the relative carbohydrates level in the microalgae under nitrogen deprivation with the highest accumulation present in Chlorella vulgaris ESP-31. Clearly then the results of this study indicate that of the five microalgae, Chlorella vulgaris C-27 and ESP-31 yield the highest amount of desired products, thus, they can be considered as having the highest biodiesel and feedstock production efficiency, making them the best candidates for biotechnological exploitation. Key Words: Microalgae, biodiesel, feedstock, biomolecules, nitrogen deprivation, TAGs