MİKROBİYAL HÜCRE TABANLI VE HÜCRE DIŞI PET DEGRADASYONSİSTEMLERİNİN GELİŞTİRİLMESİ VE KARŞILAŞTIRILMALI ANALİZİ

Abstract

Plastikler, çok yönlü kullanım alanları ve düşük üretim maliyetleri nedeniyle modern endüstride yaygın olarak kullanılmakta olup, PET özellikle tek kullanımlık ambalajlarda en sık tercih edilen polimerlerden biridir. Çevrede biriken PET atıklarının biyolojik olarak parçalanabilmesi için ester bağlarını hidrolize eden mikroorganizmalar giderek daha fazla tanımlanmaktadır. Bu çalışmada, çevreye yaygın şekilde dağılan ve doğada zor parçalanan polietilen tereftalat (PET) atıklarının biyolojik yollarla parçalanabilirliğini değerlendirmek amacıyla hem hücre tabanlı hem de hücresiz (cell-free) sistem kullanılmıştır. Çalışmanın temel amacı, farklı sistemlerdeki PET degradasyon verimlerini karşılaştırmak ve elde edilen ürünleri kantitatif ve kalitatif olarak analiz ederek sistemlerin etkinliğini moleküler düzeyde ortaya koymaktır. Deneylerde yüksek kristaliniteye sahip (% >30) 5 mg PET kullanılmış, hücreli sistemde 48 saat sonunda %1,29'luk bir degradasyon oranı ile yaklaşık 0,333 mM TPA ve 0,0007 mM EG üretimi gözlemlenmiştir. Hücresiz sistemde ise aynı miktardaki PET, 24 saatlik sürede %5,39 oranında parçalanmış; 1,199 mM TPA ve 0,0042 mM EG üretimi tespit edilmiştir. HPLC analizleri ve HOTP floresan sonuçları TPA oluşumunu doğrularken, SEM görüntüleri özellikle hücresiz sistemde PET yüzeyinde belirgin morfolojik bozulmalar olduğunu göstermiştir. İstatistiksel analizler, iki sistem arasında elde edilen ürün miktarlarında anlamlı farklılıklar olduğunu ortaya koymuş (p<0,05) ve hücresiz sistemin verimliliği yaklaşık 4,2 kat daha yüksek bulunmuştur. Bu fark, hücresiz sistemde enzimlerin doğrudan ve daha kontrollü bir ortamda çalışabilmesi, metabolik yan etkilerden arındırılmış bir sistem kullanılması ve ortam koşullarının daha hassas şekilde optimize edilebilmesiyle ilişkilendirilmiştir. Elde edilen bulgular, cell-free sistemlerin PET biyobozunumu açısından daha yüksek verim ve hız sunduğunu göstermiştir. Bu durum, enzimlerin inhibitör etkilerden uzak, daha kontrol edilebilir koşullarda çalışabilmesiyle doğrudan ilişkilidir. Öte yandan hücreli sistemlerin avantajı uzun süreli enzim üretimi potansiyeline sahip olmaları olsa da, hücresel metabolizmanın oluşturduğu kısıtlamalar nedeniyle bu sistemlerde degradasyon etkinliği sınırlı kalmıştır. Çalışma genelinde elde edilen veriler, cell-free platformların plastik atıkların biyolojik dönüşümünde ileri düzeyde mühendislik yaklaşımlarıyla daha da geliştirilerek endüstriyel ölçekte uygulanabilirliğe ulaşabileceğini ortaya koymaktadır. Bu bağlamda, sürdürülebilir plastik geri dönüşümüne katkı sağlamak amacıyla cell-free sistemlerin daha detaylı araştırılması ve optimizasyonuna yönelik çalışmaların artırılması gerekmektedir.Plastics are widely used in modern industry due to their versatile applications and low production costs, with polyethylene terephthalate (PET) being one of the most commonly preferred polymers, especially in singleuse packaging. In response to the accumulation of PET waste in the environment, an increasing number of microorganisms capable of hydrolyzing ester bonds in PET and facilitating its degradation into smaller, environmentally sustainable by-products have been identified. In this study, both cell-based and cell-free systems were employed to evaluate the biodegradability of PET waste, which is widely distributed in the environment and resistant to natural degradation. The primary objective was to compare the degradation efficiencies of different systems and to analyze the resulting products both quantitatively and qualitatively to assess system performance at the molecular level. Experiments were conducted using 5 mg of PET with high crystallinity (>30%). In the cell-based system, a degradation rate of 1.29% was achieved after 48 hours, with approximately 0.333 mM of terephthalic acid (TPA) and 0.0007 mM of ethylene glycol (EG) detected. In contrast, the cell-free system yielded a 5.39% degradation rate within 24 hours, producing 1.199 mM TPA and 0.0042 mM EG. HPLC analyses and HOTP fluorescence results confirmed TPA formation, while SEM imaging revealed distinct morphological deterioration on the PET surface, especially in the cell-free system. Statistical analysis indicated a significant difference (p < 0.05) in product yields between the two systems, with the cell-free system demonstrating approximately 4.2 times higher efficiency. This difference is attributed to the ability of enzymes to operate in a more controlled environment, free from metabolic side effects and with optimized reaction conditions in the cell-free system. The findings highlight that cell-free systems offer greater efficiency and faster PET biodegradation, primarily due to the controlled conditions and absence of inhibitory effects. While cell-based systems have the advantage of sustained enzyme production, their degradation performance remains limited by cellular metabolic constraints. Overall, the results suggest that cell-free platforms, when further enhanced through advanced engineering approaches, hold strong potential for industrial-scale application in plastic waste bioconversion. Therefore, expanding research and optimization efforts on cell-free systems is essential to support sustainable plastic recycling solutions.