Whole genome sequencing of a novel thermophilic isolate utilizing the oxford nanopore technologies and advancing the biotechnological hydrogen production capacity of the isolate /

Abstract

Hidrojen enerji verimi yüksek ve çevre dostu bir yakıttır. Hidrojenin biyolojik yollarla üretilmesi sürdürülebilirlik açısından oldukça büyük önem taşır. Termofilik bakteriler yüksek verimde biyohidrojen üretmeleri sebebiyle biyohidrojen çalışmalarında sıkça kullanılmaktadır. Termofilik bakterilerin bir türü olan anaerobic termofiller oksijensiz ve sıcak orta hayatta kalabilmekte ve su-gaz dönüşümü olarak da bilinen özel bir yolağı kullanarak karbonmonoksit gazından hidrojen üretebilmektedirler. Termal su kaynakları, termofilik anaerobik bakterilerin habitatlarından biri olup, İzmir ili jeotermal konumu sebebiyle pek çok termal su kaynağına sahiptir. Bu amaçla, İzmir ilinde bulunan 5 farklı sıcak su kaynağından elde edilen karışık kültürlerin biyohidrojen üretim potansiyelleri belirlenmiş, en iyi hidrojen üretimi Doğanbey, Seferihisar kaplıcasından alınan örneklerde gözlenmiştir. Elde edilen izolatlardan seri seyreltme ve dökme plaka yöntemi ile saf kültür elde edilmiştir. Morfolojik karakterizasyon amacıyla ESEM ve SEM görüntüleme yapılmış olup, moleküler karakterizasyon çalışmaları için Oxford Nanopore MinION cihazı ile tüm genom sekanslama yapılmıştır. Elde edilen saf kültürün büyüme koşullarını optimize etmek amacıyla Box-Behnken dizaynı yapılmış ve hidrojen üretim verimi %30 oranında artırılmıştır. En iyi hidrojen üreten saf kültür ile biyoreaktör denemeleri kurulmuş ve en yüksek verim 24 saat sonunda elde edilmiştir.

Hydrogen is an excellent energy carrier and clean fuel with zero carbon emissions. The production of hydrogen by biological sources is of great importance in terms of sustainability. Thermophilic bacteria are frequently used in biohydrogen studies because they produce biohydrogen with a high yield. Anaerobic thermophiles, a type of thermophilic bacteria, can survive in an anoxic and hot environment and produce hydrogen from carbon monoxide using a special pathway, collectively called a water-gas shift reaction (WGSR). Hot springs are one of the habitats of thermophilic anaerobic bacteria, and İzmir has several hot springs due to its geothermal location. For this purpose, the biohydrogen production potentials of mixed cultures obtained from 5 different hot springs in İzmir were determined, and the best hydrogen production was observed in the samples taken from Doğanbey, Seferihisar. The pure culture was obtained from mixed cultures by serial dilution and the strake plate method. SEM and ESEM were used for morphological characterization whereas molecular characterization studies were carried out by whole genome sequencing via the Oxford Nanopore MinION. To optimize the growth conditions of the pure culture, the Box-Behnken design was made, and the hydrogen production efficiency was increased by up to 30%. Bioreactor experiments were done with the best hydrogen-producing strain and highest hydrogen production obtained at the end of 24th h.