БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 10, с. 1388–1399

УДК 577.355.4

Выделение водорода фотоавтотрофными культурами Chlamydomonas reinhardtii при недостатке углекислоты

© 2022 В.И. Гречаник, М.А. Большаков, А.А. Цыганков *ttt-00@mail.ru

ФИЦ ПНЦБИ РАН, Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290 Пущино, Московская обл., Россия

Поступила в редакцию 06.07.2022
После доработки 08.08.2022
Принята к публикации 10.08.2022

DOI: 10.31857/S0320972522100050

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фотовыделение водорода микроводорослями, фотоавтотрофные культуры Chlamydomonas reinhardtii, недостаток углекислоты.

Аннотация

Светозависимое выделение водорода микроводорослями привлекает внимание исследователей теоретической возможностью использования этого процесса для конверсии энергии Солнца в альтернативные формы энергии. Считается, что цикл Кальвина–Бенсона–Бассама является конкурентным процессом выделения водорода микроводорослями, и его ограничение субстратом может привести к увеличению выхода водорода, причём при таком стрессе не происходит разрушения фотосинтетического аппарата. Нами изучено состояние фотоавтотрофных культур Chlamydomonas reinhardtii при их лимитировании углекислотой. Показано, что при продувании воздухом без углекислоты культуры переходили в стационарную фазу со снижением активности фотосистемы 2 за счёт перевосстановления пула пластохинонов с последующей деградацией всего фотосинтетического аппарата. При продувании аргоном без углекислоты культуры переходили в микроаэробные условия с выделением водорода около 5 мл в сутки на 1 литр культуры. Вероятно, остаточный кислород в культуральной жидкости ингибировал гидрогеназную активность культур. При этом также происходило снижение активности фотосистемы 2 за счёт перевосстановления пула пластохинонов с дальнейшей деградацией фотосинтетического аппарата. Высоких стартовых скоростей выделения водорода удавалось достичь при удалении углекислоты из культуральной жидкости, выключении света и адаптации культур к анаэробным условиям с последующим их освещением светом низкой интенсивности. Таким образом, при недостатке углекислоты в атмосфере аргона фотоавтотрофные культуры способны к выделению водорода, причём низкая скорость процесса обусловлена главным образом ингибированием гидрогеназной активности кислородом, а не конкуренцией цикла Кальвина–Бенсона–Бассама и гидрогеназы за электроны.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена частично в рамках госзадания 122041200039-0 (рис. 2) и при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-14-00255), остальная часть.

Благодарности

В работе использовали оборудование (ВЭЖХ хроматограф Agilent, газовый хроматограф Цвет 800 и флуориметры JUNIOR-PAM и Aquapen PSI) центра коллективного пользования Пущинского научного центра биологических исследований.

Вклад авторов

В.И. Гречаник – проведение экспериментов, обсуждение результатов, обсуждение и редактирование рукописи; М.А. Большаков – измерение аскорбата, обсуждение результатов, обсуждение и редактирование рукописи; А.А. Цыганков – концепция, обсуждение результатов, написание рукописи, обсуждение и редактирование рукописи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Gaffron, H., and Rubin, J. (1942) Fermentative and photochemical production of hydrogen in algae, J. Gen. Physiol., 26, 219-240, doi: 10.1085/jgp.26.2.219.

2. Boichenko, V. A., and Hoffmann, P. (1994) Photosynthetic hydrogen-production in prokaryotes and eukaryotes – occurrence, mechanism, and functions, Photosynthetica, 30, 527-552.

3. Бойченко В. А., Сатина Л. Ю., Литвин Ф. Ф. (1989) Эффективность фотовыделения водорода у водорослей и цианобактерий, Физиол. Раст., 36, 239-247.

4. Ghirardi, M. L., Togasaki, R. K., and Seibert, M. (1997) Oxygen sensitivity of algal H-2-production, Appl. Biochem. Biotechnol., 63-65, 141, doi: 10.1007/BF02920420.

5. Pow, T., and Krasna, A. I. (1979) Photoproduction of hydrogen from water in hydrogenase-containing algae, Arch. Biochem. Biophys., 194, 413-421, doi: 10.1016/0003-9861(79)90635-0.

6. Urbig, T., Schulz, R., and Senger, H. (1993) Inactivation and reactivation of the hydrogenases of the green algae Scenedesmus obliquus and Chlamydomonas reinhardtii, Z. Naturforsch. C, Biosci., 48, 41-45, doi: 10.1515/znc-1993-1-208.

7. Greenbaum, E. (1980) Simultaneous photoproduction of hydrogen and oxygen by photosynthesis, Biotechnol. Bioengin. Symp., 10, 1-13.

8. Grechanik, V., and Tsygankov, A. (2022) The relationship between photosystem II regulation and light-dependent hydrogen production by microalgae, Biophys. Rev., 14, 893-904, doi: 10.1007/s12551-022-00977-z.

9. Melis, A., Zhang, L. P., Forestier, M., Ghirardi, M. L., and Seibert, M. (2000) Sustained photobiological hydrogen gas production upon reversible inactivation of oxygen evolution in the green alga Chlamydomonas reinhardtii, Plant Physiol., 122, 127-135, doi: 10.1104/pp.122.1.127.

10. Tsygankov, A. A., Kosourov, S. N., Tolstygina, I. V., Ghirardi, M. L., and Seibert, M. (2006) Hydrogen production by sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii under photoautotrophic conditions, Int. J. Hydrogen Energy, 31, 1574-1584, doi: 10.1016/j.ijhydene.2006.06.024.

11. Philipps, G., Krawietz, D., Hemschemeier, A., and Happe, T. (2011) A pyruvate formate lyase-deficient Chlamydomonas reinhardtii strain provides evidence for a link between fermentation and hydrogen production in green algae, Plant J., 66, 330-340, doi: 10.1111/j.1365-313X.2011.04494.x.

12. He, M. L., Li, L., Zhang, L. T., and Liu, J. G. (2012) The enhancement of hydrogen photoproduction in Chlorella protothecoides exposed to nitrogen limitation and sulfur deprivation, Int. J. Hydrogen Energy, 37, 16903-16915, doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.08.121.

13. Batyrova, K. A., Tsygankov, A., and Kosourov, S. (2012) Sustained hydrogen photoproduction by phosphorus deprived Chlamydomonas reinhardtii cultures, Int. J. Hydrogen Energy, 37, 8834-8839.

14. Antal, T. K., Krendeleva T. E., Laurinavichene T. V., Makarova, V. V., Ghirardi, M. L., et al. (2003) The dependence of algal H2 production on Photosystem II and O2 consumption activities in sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii cells, Biochim. Biophys. Acta, 1607, 153-160, doi: 10.1016/j.bbabio.2003.09.008.

15. Nagy, V., Podmaniczki, A., Vidal-Meireles, A., Tengölics, R., Kovács, L., et al. (2018) Water-splitting-based, sustainable and efficient H2 production in green algae as achieved by substrate limitation of the Calvin–Benson–Bassham cycle, Biotechnol. Biofuels, 11, 69, doi: 10.1186/s13068-018-1069-0.

16. Winkler, M., Heil, B., and Happe, T. (2002) Isolation and molecular characterization of the [Fe]-hydrogenase from the unicellular green alga Chlorella fusca, Biochim. Biophys. Acta, 1576, 330-334, doi: 10.1016/s0167-4781(02)00239-7.

17. Tsygankov, A. A., Laurinavichene, T. V., and Gogotov, I. N. (1994) Laboratory-scale photobioreactor, Biotechnol. Techniques, 8, 575-578, doi: 10.1007/BF00152149.

18. Grechanik, V., Romanova, A., Naidov, I., and Tsygankov, A. (2020) Photoautotrophic cultures of Chlamydomonas reinhardtii: sulfur deficiency, anoxia, and hydrogen production, Photosynth. Res., 143, 275-286, doi: 10.1007/s11120-019-00701-1.

19. Гольцев В. Н., Каладжи Х. М., Паунов М., Баба В., Хорачек, Т., и др. (2016) Использование переменной флуоресценции хлорофилла для оценки физиологического состояния фотосинтетического аппарата растений, Физиол. раст., 63, 881-907.

20. Kovacs, L., Vidal-Meireles, A., Nagy, V., and Toth, S. Z. (2016) Quantitative determination of ascorbate from the green alga Chlamydomonas reinhardtii by HPLC, Bio Protocol., 16, e2067, doi: 10.21769/BioProtoc.2067.

21. Harris, E. H. (1989) The Chlamydomonas Sourcebook: A Comprehensive Guide to Biology and Laboratory Use. San Diego: Academic Press, doi: 10.1016/C2009-0-02778-0.

22. Gfeller, R. P., and Gibbs, M. (1984) Fermentative metabolism of Chlamydomonas reinhardtii, I: analysis of fermentative products from starch in dark and light, Plant Physiol., 75, 212-218, doi: 10.1104/pp.75.1.212.

23. Grechanik, V., Naidov, I., Bolshakov, M., and Tsygankov, A. (2021) Photoautotrophic hydrogen production by nitrogen-deprived Chlamydomonas reinhardtii cultures, Int. J. Hydrogen Energy, 46, 3565-3575, doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.10.215.

24. Kosourov, S., Patrusheva, E., Ghirardi, M. L., Seibert, M., and Tsygankov, A. (2007) A comparison of hydrogen photoproduction by sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii under different growth conditions, J. Biotechnol., 128, 776-787, doi: 10.1016/j.jbiotec.2006.12.025.

25. Nagy, V., Vidal-Meireles, A., Podmaniczki, A., Szentmihályi, K., Rákhely, G., et al. (2018) The mechanism of photosystem-II inactivation during sulphur deprivation-induced H2 production in Chlamydomonas reinhardtii, Plant J., 94, 548-561, doi: 10.1111/tpj.13878.

26. Kosourov, S., Tsygankov, A., Seibert, M., and Ghirardi, M. L. (2002) Sustained hydrogen photoproduction by Chlamydomonas reinhardtii: Effects of culture parameters, Biotechnol. Bioeng., 78, 731-740, doi: 10.1002/bit.10254.