Недостаток макроэлементов, таких как азот, фосфор, сера, железо и магний – один из ключевых факторов, играющих существенную роль в процессах жизнедеятельности фитопланктона. Особое воздействие нехватка этих минеральных веществ оказывает на процесс длительного фотообразования водорода у некоторых зеленых микроводорослей, входящих в состав фитопланктонных сообществ, что является их специфической ответной реакцией на условия стресса. Основой такого ответа водорослей является взаимодействие между аэробными и анаэробными процессами внутри клетки, обеспечивающих микроорганизмы энергией в условиях минерального голодания. При этом на сегодняшний день достаточно подробно изучены участие и роль первичных процессов фотосинтеза, а также запасания (и расходования) крахмала при продукции водорода на свету клетками зеленых микроводорослей. В то же время влияние реакций брожения на фотообразование водорода у голодающих культур эукариотических микроорганизмов изучено в меньшей степени.

Целью работы являлось исследование влияния процессов брожения в клетках зеленых микроводорослей Chlamydomonas reinhardtii дикого типа и штамма-мутанта на продолжительное фотообразование молекулярного водорода в условиях дефицита серы. Для этого в фотореакторах при постоянном свете и отсутствии серы в среде проводили следующие измерения и сравнительный анализ: содержание водорода в газовой фазе реактора, содержание крахмала в клетках, измерение фотосинтетической активности и скорости дыхания в культурах мутанта Ch.reinhardtii pfl 1-1 без пируватформиатлиазной активности и у соответствующего контроля Ch.reinhardtii СС-125.

Показано, что, в отличие от дикого типа, клетки мутантного штамма Ch.reinhardtii pfl 1-1 характеризуются гораздо более выраженной способностью к образованию водорода при длительном минеральном дефиците, хотя и более поздним его выходом относительно контрольного организма. Тем не менее, pfl 1-1 показал гораздо большую устойчивость по фотообразованию водорода в условиях минерального стресса. Динамика содержания и потребления крахмала внутри клеток контроля (дикого типа) и мутанта вследствие эксперимента показали свою относительную схожесть. Однако, количество запасаемого крахмала Ch.reinhardtii pfl 1-1 за первые 48 часов оказалось практически в 2 раза выше относительно Ch.reinhardtii СС-125. Такой результат указывает на значительно более выраженную способность штамма-мутанта накапливать и расходовать крахмал. Известно, что метаболизм крахмала – один из основных факторов, влияющих на способность микроводорослей выделять водород. Другим таким фактором является активность первичных реакций фотосинтеза. Проведенные эксперименты по оцениванию фотосинтетической активности, а также дыханию клеток культур, показали сохранение гораздо более высокой ФС активности на поздних стадиях голодания культуры Ch.reinhardtii pfl 1-1 относительно дикого типа. Дыхание в клетках изменялось сходным образом, но количественно скорость была на 20% выше у мутанта. Таким образом, мутант характеризуется более интенсивным накоплением и расходованием запасенного крахмала, более высокой фотосинтетической активностью на поздних стадиях серного голодания, что оказывает стимулирующее действие на длительное фотообразование водорода, и отражает, в целом, большую устойчивость к стрессу генетически модифицированного штамма.

Полученные в результате исследований данные позволяют сделать вывод о том, что процесс брожения оказывает существенный эффект на длительность образования на свету молекулярного водорода культурой Ch. reinhardtii, находящейся в условиях нехватки серы, особенно на поздних стадиях. Мутантный штамм Ch.reinhardtii pfl 1-1 может быть перспективным объектом для биотехнологии, как продуцент водорода – альтернативного, экологически чистого источника энергии.

Ключевые слова: Фотообразование водорода, Брожение, Фотосинтез, Зеленые микроводоросли, Адаптация к стрессу

Lack of macroelements such as nitrogen, phosphorus, sulfur, iron and magnesium is one of the key factors that play an essential role in the processes of phytoplankton life activity. The shortage of these minerals has a particular impact on the process of long-term photogenesis of hydrogen in some green microalgae that are part of phytoplankton communities, which is their specific response to stress conditions. The basis of this response of algae is the interaction between aerobic and anaerobic processes inside the cell which provide microorganisms with energy under conditions of mineral starvation. At the same time, the participation and role of primary processes of photosynthesis as well as starch storage (and consumption) during hydrogen production in light by green microalgae cells have been studied in sufficient detail so far. At the same time, the influence of fermentation reactions on hydrogen photogenesis in starved cultures of eukaryotic microorganisms has been studied to a lesser extent.

The aim of this work was to study the effect of fermentation processes in the cells of green microalgae Chlamydomonas reinhardtii of wild type and mutant strain on continuous photogenesis of molecular hydrogen under sulfur deficit conditions. For this purpose, the following measurements and comparative analysis were performed in photoreactors under constant light and absence of sulfur in the medium: hydrogen content in the reactor gas phase, starch content in cells, measurement of photosynthetic activity and respiration rate in cultures of mutant Ch.reinhardtii pfl 1-1 without pyruvateformylase activity and in corresponding control Ch.reinhardtii SS-125.

It was shown that, in contrast to the wild type, the cells of the mutant strain Ch.reinhardtii pfl 1-1 are characterized by a much more pronounced ability to form hydrogen under prolonged mineral deficiency, although its release is later relative to the control organism. Nevertheless, pfl 1-1 showed much greater stability in hydrogen photogenesis under conditions of mineral stress. The dynamics of starch content and consumption within the cells of the control (wild type) and mutant showed their relative similarity due to the experiment. However, the amount of starch stored by Ch.reinhardtii pfl 1-1 during the first 48 hours was almost 2 times higher relative to Ch.reinhardtii CC-125. This result indicates a significantly more pronounced ability of the mutant strain to accumulate and consume starch. It is known that starch metabolism is one of the main factors influencing the ability of microalgae to secrete hydrogen. Another such factor is the activity of primary photosynthetic reactions. Experiments evaluating photosynthetic activity as well as respiration of culture cells showed the preservation of much higher FS activity in the late stages of starvation of Ch.reinhardtii pfl 1-1 culture relative to the wild type. Cell respiration changed in a similar manner, but quantitatively the rate was 20% higher in the mutant. Thus, the mutant is characterized by more intensive accumulation and expenditure of stored starch, higher photosynthetic activity in the late stages of sulfur starvation, which has a stimulating effect on long-term hydrogen photogenesis, and reflects, in general, higher stress tolerance of the genetically modified strain.

The data obtained as a result of the studies allow us to conclude that the fermentation process has a significant effect on the duration of molecular hydrogen formation in the light by Ch. reinhardtii culture under sulfur starvation conditions, especially at the late stages. The mutant strain Ch.reinhardtii pfl 1-1 may be a promising target for biotechnology as a producer of hydrogen, an alternative, environmentally friendly energy source.

Keywords: Hydrogen photoproduction, Fermentation, Photosynthesis, Green microalgae, Stress adaptation