Введение к работе
Актуальность проблемы
Светозависимое образование водорода зелеными микроводорослями обнаружено более 60 лет назад (Gafron and Rubm, 1942), и до недавнего времени данный процесс рассматривался как пример неэффективного расходования поглощенной световой энергии Считается, что физиологическая роль выделения водорода в анаэробных условиях заключается в сбросе избытка восстановителя (Appel, Shultz, 1998), хотя экспериментальные данные, подтверждающие эту гипотезу для зеленых микроводорослей, отсутствуют
Эффективность преобразования энергии света при выделении водорода микроводорослями достигает 50% и более (Boichenko et al, 2004) Поэтому, начиная с 70 годов прошлого века постоянно ведутся исследования в попытках использовать данный процесс для запасания солнечной энергии в виде топлива - водорода (Benemann, 1996, 2002) Принципиальным ограничением на пути исследований стоял тот факт, что выделение водорода микроводорослями происходит одновременно с выделением кислорода (и в стехиометрии близкой к биофотолизу воды) Выделяющийся кислород ингибирует активность гидрогеназы и репрессирует ее синтез Поэтому выделение водорода микроводорослями было кратковременным и останавливалось при появлении кислорода в среде Попытки подавления выделения кислорода (например при добавлении диурона) увеличивали длительность процесса, но снижали его скорость, поскольку фотосистема 2 (ФС2) является основным донором электронов в данных условиях (Boichenko, 1996) Более того, добавление различных ингибиторов делало систему необратимой и непригодной для использования в качестве «преобразователя» солнечной энергии
Значительный интерес исследователей вызвало сообщение из Калифорнийского университета (Mehs et al, 2000) о том, что микроводоросли Chlamydomonas reinhardtn способны в фотогетеротрофных условиях к длительному выделению значительных количеств водорода, если их поместить в условия недостатка серы Авторы назвали такую систему двустадийной, поскольку появилась возможность, чередуя избыток и недостаток серы, получать водород в две стадии Показано, что такая система в принципе способна осуществлять несколько циклов Авторы считали, что эта система
использует только фотосистему 1 (ФС1), причем в фазе выделения водорода основными источниками восст ановигеля являются продукты разложения белков Значительного изменения содержания крахмала замечено не было К началу наших исследований уже было известно, что, несмотря на анаэробные условия, ФС2 все же принимает участие в донировании электронов ФС1, а образующийся при этом кислород поглощается при дыхании (Антал и др , 2001) В то же время в механизме выделения водорода голодающими по сере микроводорослями оставалось много неясного В частности, оставался нерешенным принципиальный вопрос - является ли наличие ацетата необходимым условием для выделения Н2, т е возможен ли процесс в автотрофных условиях9 Кроме того, неясна физиологическая роль выделения водорода для водорослей Цель и задачи работы.
Целью наших исследований было изучение особенностей выделения водорода зеленой мироводорослью С reinhardtii в условиях недостатка серы Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи
разработать новый метод перевода культур в условия недостатка серы,
отличающийся простотой и повышенной надежностью при работе с
чистыми культурами,
выявить основные факторы, влияющие на процесс выделения водорода
фотогетеротрофными культурами,
выяснить возможность выделения водорода фотоавтотрофными
культурами и определить оптимальные условия для протекания данного
процесса,
проверить, обеспечивает ли светозависимое выделение водорода
поддержание жизнеспособности культур в условиях избытка
восстановителя Научная новизна.
На основании полученных данных рассчитана оптимальная средняя интенсивность света в фотобиореакторе для максимального выделения водорода фотогетеротрофными культурами С reinhardtii при недостатке серы Впервые продемонстрировано выделение водорода фотоавтотрофными культурами, и подобран особый световой режим для максимального накопления крахмала и выделения водорода Установлено неодинаковое влияние интенсивности света на выделение
водорода фотоавтотрофных культур на разных стадиях процесса Показано, что выделение водорода S-дефицитными культурами является не единственным защитным механизмом сохранения жизнеспособности клеток в условиях избытка восстановителя Практическая значимость
Предложен новый метод получения голодающих по сере фотогетротрофных культур, который отличается простотой, надежностью и по выходу водорода не уступает традиционному методу Результаты по влиянию различных факторов на физиологическое состояние S-дефицитной культуры позволяют рекомендовать оптимальные условия для максимального выделения водорода, а также для выделения водорода при использовании интенсивностей света приближенных к естественным Разработан метод получения водорода в фотоавтотрофных условиях без использования дорогостоящего органического субстрата, что делает процесс экономически более выгодным Апробация работы.
Материалы диссертации были представлены на III Всероссийском съезде биофизиков (Воронеж 2004), XVI зимней школе «Перспективные направления в биохимии и биотехнологии» (Москва, 2004), Международной конференции Biohydrogcn 2002 (Нидерланды), 15 Международном конгрессе по водородной энергетике (Йокогама, Япония, 2004), XVIII Всероссийской конференции «Преобразование энергии света при фотосинтезе» (Пущино, 2005), Международной конференции «Биологические способы выделения водорода» (Порто, Португалия, 2005), Международном конгрессе по водородной энергетике (Стамбул, Турция, 2005), Международной конференции «Фотосинтез в пост-геномную эру структура и функции фотосистем» (Пущино, 2006), 16 Международной конференции «Фотохимическое преобразование и сохранение солнечной знеріии» (Уппсала, Швеция, 2006), Международном Форуме «Водородные технологии для производства энергии», 2006, Москва Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 13 работ, из них 1 - в зарубежном журнале списка ВАК (J Biotechnology), 2 - в Int J Hydrogen Energy, 9 тезисов докладов на отечественных и международных конференций
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения результатов и
