Отдельные группы микроводорослей способны после периода анаэробной адаптации к светозависимому выделению водорода. Однако процесс ингибируется кислородом и поэтому краткосрочен. После освещения накапливающийся кислород инактивирует гидрогеназу, и выделение водорода прекращается. Разработан подход продления выделения водорода. Для этого культуры помещают в условия недостатка серы, азота, фосфора или углерода. Через некоторое время адаптации культур к недостатку элемента питания приводит к понижению активности фотосистемы 2, скорость дыхания становится выше скорости фотосинтеза, и культуры переходят в анаэробные условия, в которых и синтезируется гидрогеназа. После ее синтеза начинается выделение водорода, которое длится несколько дней. В литературе имеются сообщения, что в снижении активности фотосистемы 2 могут участвовать несколько регуляторных механизмов: накопление Qb невосстанавливающих центров, перевосстановление пула пластохинонов, накопление закрытых реакционных центров, появление стабильно восстановленной формы QA, state transitions, ксантофиловый цикл, деградация D1 белка, фотоингибирование (окислительный стресс), накопление аскорбата с последующим использованием аскорбата в качестве донора электронов вместо воды. При этом разные авторы указывают один-два механизма ингибирования фотосистемы 2. Удивительно, что практически все работы сделаны на зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii, помещенную в условия серного голодания. Согласно нашим исследованиям, указанные механизмы не работают одновременно, а реализация конкретного механизма ингибирования фотосистемы 2 определяется не недостатком элемента питания, а другими факторами внешней среды, прежде всего светом. В работе показано, что в зависимости от интенсивности света фотоавтотрофные культуры C. reinhardtii при недостатке элементов питания могут реализовывать различные механизмы ингибирования активности фотосистемы 2.

Работа поддержана грантом РНФ 19-14-00255.

Separate groups of microalgae are capable, after a period of anaerobic adaptation, of light-dependent hydrogen production. However, the process is inhibited by oxygen and is therefore short-term. After lighting, the accumulating oxygen inactivates hydrogenase, and the hydrogen production ceases. An approach for the extention of hydrogen production has been developed. To do this, cultures are placed under conditions of deprivation of sulfur, nitrogen, phosphorus or carbon. After some time of cultures adaptation to a lack of a nutrient element leads to a decrease in the activity of photosystem II, the respiration rate becomes higher than the rate of photosynthesis, and the cultures pass into anaerobic conditions, where hydrogenase is synthesized. After its synthesis, hydrogen production begins, which lasts for several days. There are reports in the literature that several regulatory mechanisms may be involved in reducing the activity of photosystem II: accumulation of QB non-reducing centers, over-reduction of PQ pool, appearance of stably reduced forms of QA, state transitions, xanthophyll cycle, D1 degradation, photoinhibition (oxidative stress), accumulation of ascorbate, followed by the use of ascorbate as an electron donor instead of water. At the same time, different authors indicate one or two mechanisms of photosystem II inhibition. Surprisingly, almost all the work was done on the green microalgae Chlamydomonas reinhardtii, placed under conditions of sulfur deprivation. According to our studies, these mechanisms do not work simultaneously, and the implementation of a specific mechanism of photosystem II inhibition is determined not by nutrient deprivation but by other environmental factors, primarily by the light. The work shows that, depending on the light intensity, photoautotrophic cultures of C. reinhardtii with a deprivation of nutrients can implement various mechanisms of inhibition of the activity of photosystem II.

This work was supported by the Russian Science Foundation grant 19–14-00255.