Biyosensörler, biyolojik durumların dijital veriye çevrilip anlaşılmasını, takip edilmesini ve analiz edilerek gerekli aksiyonların alınmasını sağlar. Genel olarak biyosensör cihazının kullanım alanı sınırlandırılamaz, fakat günümüzde gelişen teknoloji ile birlikte, çoğunluk sahada elde tutulabilir veya veri toplayacağı alana yerleştirilebilir minyatürize aygıt şeklinde olanlar ‘’biyosensör’’ olarak kabul edilir. İnsan, çevre, tarım ve hayvancılıkta, uygulamaları ve teknolojik çeşitliliği artan sensörler için bu yazıda hayvancılıktaki kullanımına odaklanıyoruz.

   Biyosensörler, üzerinde biyolojik ortam ile etkileşimi sağlayan reseptörlerin bulunduğu elektronik sensörlerdir ve asıl maharet, ölçülmesi istenen biyolojik durum için en yüksek başarımda ve en ucuz tekniği bulabilmektir. Hayvancılıkta süreli takip ihtiyacı hissedilen biyolojik durumlar; hayvanların sağlık durumları ve canlılıkları, vücut ve ortamlarındaki zararlı madde ve patojen miktarı, süt ve yumurta gibi üretim değerleri ve ürünlerinin kalite değerleri olabilir. Molekül tespit biyosensörler, kimlik kartı veya daha ufak boyutlarda, elde tutulup gözle veya basit bir algılayıcı ile sonucu gözlenebilen, içeriğindeki elektrotları üzerinde tespit edilmesi hedeflenen molekül veya patojenin tutunacağı nükleotid peptid veya antikorlar bulunan biyosensör teknolojisidir. Hayvanlardan alınan işlenmiş veya işlenmesine gerek duyulmayan numuneler elektrokimyasal sensörün elektrot kümesinin ortasına damlatılır ve belirli bir inkübasyon süresi sonunda veri elde edilir. Elektrokimyasal biyosensörlerin üretim teknolojisinin standartlaşmış olması ve algılayıcı moleküllerin belirlenmiş olması sebebiyle kullanım alanı oldukça genişlemiştir. Sütteki antibiyotik kalıntısı, su ve çevresel ortamdan pestisit ve metal birikimi, kan ve vücut sıvısından belirli işaretçi molekül miktarları en sık kullanılan uygulamalarıdır. Hedef moleküllere ve algılayıcı enzimlere örnek vermek gerekirse; Asetik asit – Transferaz, Sükroz – Hidrolaz, Glukoz – Glukoz Oksidaz, Askorbik asit – Askorbat oksidaz, Kolesterol – Kolesterol Oksidaz, Fenol – Tirosinaz. Hedefe yönelik üretilmiş antikorla algılanan moleküllere örnek vermek gerekirse; virüsler, toksik metabolitler Aflatoksin B1, Pestisit Atrazine, İnflamasyon tespitinde C-reaktif proteini. Biyosensörlerin algılayıcı kısımlarının ardından sinyal çevirici kısımlarında da çeşitli teknik çeşitliliği vardır ve uygulama alanına göre en uygunu seçilir. Bunlar temel olarak; elektrokimyasal(impedometrik, amperometrik, potentiometrik, voltammetrik, kondaktometrik), elektronik, termal, optik (kromosans, florosans),optomekanik, gravimetrik, ve manyetiktir.

   Büyükbaş hayvan çiftliklerinde ineklerin ayaklarına sensör içeren bileklikler takılabiliyor. Bu bileklik sensörler, inek ve boğaların her türlü hareketsel davranışını takip ediyor. “Günlük yeme-içme miktarları”, geviş getirdiği ve hareket ettiği veya oturduğu süreleri çiftlik bilgisayarına kayıt edilebiliyor. Böylelikle bir hayvanda anomali olduğunda çiftçiye otomatik uyarı gönderilip incelemesi ve bir sorun varsa büyümeden tedbir alması sağlanabiliyor. Yine bileklik sayesinde geniş meralarda her hayvanın noktasal konumu takip edilebiliyor. Süt çiftliklerinin nihai amacı; birim inekten daha fazla miktarda ve daha yüksek kaliteli sütü en az hastalık süresi ile alabilmektir. Süt ineklerinde üretimi etkileyen en önemli hastalık hayvanın memesine patojen bulaşması ile ortaya çıkan mastitis hastalığıdır ki bazı durumlarda subklinik mastitis olarak dışarıdan gözle görülmeyip sinsi sinsi ilerler ve ineğin memelerini köreltir. Süt sağım sistemlerine hat-üstü veya hat-içi takılabilen veya elde tutularak çalışan mastitis tespit biyosensörleri mevcuttur. Sağım sırasında ineklerin sütünden alınan az bir miktar süt numunesi, bu biyosensörler ile analiz edilerek standart olan sütteki 200 bin hücre/mL değerinin aşıldığı durumlar rapor edilerek, hayvanın subklinik mastitis hastalığına yakalanıp yakalanmadığı tespit edilebilir. Süt hayvanlarının subklinik mastitis durumlarının erken tespiti, erken tedavi ve dolayısıyla çiftlikteki tüm hayvanların hayatları boyunca yüksek verim ve kalitede süt sağlaması için oldukça önemlidir. Çünkü tespit edilemeyen subklinik mastitis hastalığı bulaşıcı olabilir ve tüm çiftlikte toplu bir üretim verimi düşüşü yaşanabilir. Çiftlikler, biyosensör teknolojisine yapacakları yatırımın karşılığını, sene boyunca hayvan başına daha yüksek miktarda ve kalitede süt satışı yaparak kolaylıkla kâra çevirebilir. Bunun yanında büyükbaş ve küçükbaş hayvanların sindirim sistemi rahatsızlıklarını ve sağlık durumlarını takip için yutulabilir biyosensörler kullanılabiliyor. Yutulabilir biyosensörler, işkembe ve bağırrsaklardaki, pH, gaz, sıcaklık ve yabancı maddelerin durumunu süreli takip ederek dışarıdaki cihazlara aktarabilir. Benzer şekilde ağızlarına takılabilen biyosensörler ile salya ve nefeslerinden hormon, kortizol, laktat, solunum hızı ve uçucu organik maddelerin uzaktan takibi yapılabiliyor. Küçükbaş sürülerde, bir enfeksiyon sebepli laminitis hastalığı yaygın olarak görülmektedir. Sürüdeki topallayan koyunların erken bulunması, üzerlerine takılı bir sensör ile takibi ve erken tespiti, tedavinin de erken başlaması ile ekonomik fayda sağlar. Benzer takılı sensörler ile büyükbaşlardakine benzer olarak sürünün konumunun belirlenmesi, yeme-içme alışkanlığı, hareket süresi, kalp atışı ve ateş durumu takip edilebilir. Kanatlı hayvan çiftliklerinin en önemli problemi, çiftliğin kapalı ortamında biriken gazlar ve civcivle tavuklar arasında hızla yayılan bulaşıcı hastalıklardır. Kapalı ortamda biriken gazlar, örneğin; amonyak, robotik veya sabit sensörler ile tespit ve takip edilebilir. Bulaşıcı mikroorganizma ve virüslerin hızlı tespiti ve sürekli takibi gereklidir ki bunlar yukarıda anlatılan sensör tipleri ile yapılmaktadır. Balık çiftliklerinde ise, havuz veya deniz ortamlarında, su değerlerinin sürekli takip edilmesi gereken değerleri vardır; sıcaklık, tuzluluk, pH, amonyak, yoğunluk, nitrojen dioksit, su akıntısı hızı, bulaşıcı mikroorganizma varlığı ve ilaç kalıntıları takip edilmelidir.

   Hayvancılık biyosensörleri, günümüz popüler teknolojileri ile birlikte entegre olarak kullanılır. Görüntü analizi yapan insansız hava araçları ve çiftlik robotları sürü yönetimi yapabilmekle birlikte bütünleşmiş sensörler ile takip ve veri toplama sürecini de gerçekleştirebilir. Büyük çiftliklerde onlarca veya yüzlerce farklı sensörün birlikte çalışabilmesi işi nesnelerin interneti (IoT) teknolojisi ile mümkün olabilmektedir. Yüzlerce sensörden veya az sayıda sensörden yüksek miktarda toplanan veriler uzaktan erişimle bulut sunucularda toplanmalı ve çiftlik yöneticileri tarafından konumdan bağımsız olarak mobil aygıtlardan takip edilebilmelidir. Sensör yoğunluğu, büyük veri analizi ve yapay zeka algoritmalarını da birlikte getirir. Biyosensörlerin üretiminde kullanılan diğer yenilikçi teknolojiler; mikroakışkan çipler, MEMS ve nanoteknolojik parçacık ve materyallerdir.

Kaynaklar:

T.C. Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı, Ankara Kalkınma Ajandası, 2021/Ocak-Mart bağlantı

---