- Код статьи
- S30345294S0320972525070091-1
- DOI
- 10.7868/S3034529425070091
- Тип публикации
- Статья
- Статус публикации
- Опубликовано
- Авторы
- Том/ Выпуск
- Том 90 / Номер выпуска 7
- Страницы
- 1004-1017
- Аннотация
- Некоторые микроводоросли способны к светозависимому выделению водорода после периода анаэробной адаптации, осуществляя таким образом биофотолиз воды. Скорость выделения водорода в начальный момент достигает максимальной скорости фотосинтеза. Однако этот процесс скоротечен: выделяющийся при фотосинтезе кислород быстро инактивирует ключевой фермент биофотолизa, гидрогеназу, и ингибирует его экспрессию. К настоящему времени разработаны подходы, реализующие длительное выделение водорода микроводорослями. Наиболее изученными являются подходы, основанные на переводе микроводорослей в условия недостатка элементов питания. Однако известно, что выделение водорода при недостатке элементов питания всегда сопровождается падением активности фотосистемы 2 (ФС2). В литературе описано несколько механизмов подавления активности ФС, причём нет однозначного мнения о том, какой механизм является определяющим. Целью данной работы являлась проверка предположения о том, что реализация того или иного механизма подавления ФС2 зависит не только от типа стресса, но и от условий выращивания. Для этого фотоавтотрофную культуру микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii выращивали в условиях недостатка азота или серы при различных световых режимах и анализировали реализацию следующих механизмов подавления активности ФС2: перевосстановленность пула пластохинонов (сопряжённую с перевосстановленностью всей фотосинтетической электронтранспортной цепи), разобщение ФС2 (по кинетике накопления аскорбата и JIP-тесту), виолаксантиновый цикл, анаэробный стресс, сопряжённый с созданием восстановительного редокс-потенциала культуральной суспензии. Обнаружено, что ключевым механизмом, определяющим выделение водорода, является перевосстановленность пула пластохинонов. Другие механизмы также реализуются в различных условиях, но не проявляют однозначной корреляции с выделением водорода. Полученные результаты свидетельствуют, что индуцирование стресса за счёт голодания культур является удобным подходом для изучения выделения водорода микроводорослями, но вследствие низкой активности ФС2 непрактично. Для создания промышленных систем на основе микроводорослей требуются новые подходы, позволяющие полностью реализовать их фотосинтетический потенциал.
- Ключевые слова
- фотовыделение водорода микроводорослями фотосистема 2 фотоавтотрофные культуры Chlamydomonas reinhardtii недостаток серы недостаток азота
- Дата публикации
- 04.02.2026
- Год выхода
- 2026
- Всего подписок
- 0
- Всего просмотров
- 69
Библиография
- 1. Sakurai, H., and Tsygankov, A. A. (2019) Photobiological biohydrogen production, in Second and Third Generation of Feedstocks, Elsevier, pp. 437-467, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815162-4.00016-1.
- 2. Petrova, E., Kukarskikh, G., Krendeleva, T., and Antal, T. (2020) The mechanisms and role of photosynthetic hydrogen production by green microalgae, Microbiology, 89, 251-265, https://doi.org/10.1134/S0026261720030169.
- 3. Touloupakis, E., Faraloni, C., Silva Benavides, A. M., and Torzillo, G. (2021) Recent achievements in microalgal photobiological hydrogen production, Energies, 14, 7170, https://doi.org/10.3390/en14217170.
- 4. Grechanik, V., and Tsygankov, A. (2022) The relationship between photosystem II regulation and light-dependent hydrogen production by microalgae, Biophys. Rev., 14, 893-904, https://doi.org/10.1007/s12551-022-00977-z.
- 5. Grechanik, V., and Tsygankov, A. (2021) Recent advances in microalgal hydrogen production, Photosynthesis: Molecular Approaches to Solar Energy Conversion, pp. 589-605, https://doi.org/10.1007/978-3-030-67407-6_22.
- 6. 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, https://doi.org/10.1002/bit.10254.
- 7. 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, https://doi.org/10.1104/pp.122.1.127.
- 8. Philipps, G., Happe, T., and Hemschemeier, A. (2012) Nitrogen deprivation results in photosynthetic hydrogen production in Chlamydomonas reinhardtii, Planta, 235, 729-745, https://doi.org/10.1007/s00425-011-1537-2.
- 9. Batyrova, K. A., Tsygankov, A. A., and Kosourov, S. N. (2012) Sustained hydrogen photoproduction by phosphorus-deprived Chlamydomonas reinhardtii cultures, Int. J. Hydrogen Energy, 37, 8834-8839, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.01.068.
- 10. 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, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.10.215.
- 11. Grechanik, V., Romanova, A., Naydov, I., and Tsygankov, A. (2020) Photoautotrophic cultures of Chlamydomonas reinhardtii: sulfur deficiency, anoxia, and hydrogen production, Photosynth. Res., 143, 275-286, https://doi.org/10.1007/s11120-019-00701-1.
- 12. Wykoff, D. D., Davies, J. P., Melis, A., and Grossman, A. R. (1998) The regulation of photosynthetic electron transport during nutrient deprivation in Chlamydomonas reinhardtii, Plant Physiol., 117, 129-139, https://doi.org/10.1104/pp.117.1.129.
- 13. Antal, T. K., Krendeleva, T. E., Laurinavichene, T. V., Makarova, V. V., Ghirardi, M. L., Rubin, A. B., Tsygankov, A. A., and Seibert, M. (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, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2003.09.008.
- 14. Volgusheva, A., Zagidullin, V., Antal, T., Korvatovsky, B., Krendeleva, T., Paschenko, V., and Rubin, A. (2007) Examination of chlorophyll fluorescence decay kinetics in sulfur deprived algae Chlamydomonas reinhardtii, Biochim. Biophys. Acta, 1767, 559-564, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2007.04.006.
- 15. Antal, T. K., Krendeleva, T. E., and Rubin, A. B. (2007) Study of photosystem 2 heterogeneity in the sulfur-deficient green alga Chlamydomonas reinhardtii, Photosynth. Res., 94, 22, https://doi.org/10.1007/s11120-007-9202-0.
- 16. Zhang, L., Happe, T., and Melis, A. (2002) Biochemical and morphological characterization of sulfur-deprived and H2-producing Chlamydomonas reinhardtii (green alga), Planta, 214, 552-561, https://doi.org/10.1007/s004250100660.
- 17. Nagy, V., Podmaniczki, A., Vidal-Meireles, A., Tengölics, R., Kovács, L., Rákhely, G., Scoma, A., and Tóth, S. Z. (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, 1-16, https://doi.org/10.1186/s13068018-1069-0.
- 18. Antal, T. K., Volgusheva, A. A., Kukarskih, G. P., Bulychev, A. A., Krendeleva, T. E., and Rubin, A. B. (2006) Effects of sulfur limitation on photosystem II functioning in Chlamydomonas reinhardtii as probed by chlorophyll a fluorescence, Physiol. Plantarum, 128, 360-367, https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.2006.00734.x.
- 19. 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, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.06.024.
- 20. 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, https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2006.12.025.
- 21. Gorman, D. S., and Levine, R. (1965) Cytochrome f and plastocyanin: their sequence in the photosynthetic electron transport chain of Chlamydomonas reinhardi, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 54, 1665-1669, https://doi.org/10.1073/pnas.54.6.1665.
- 22. Sueoka, N., Chiang, K., and Kates, J. (1967) Deoxyribonucleic acid replication in meiosis of Chlamydomonas reinhardi: I. Isotopic transfer experiments with a strain producing eight zoospores, J. Mol. Biol., 25, 47-66, https://doi.org/10.1016/0022-2836 (67)90278-1.
- 23. Tsygankov, A. A., Laurinavichene, T. V., and Gogotov, I. N. (1994) Laboratory scale photobioreactor, Biotechnol. Techniq., 8, 575-578, https://doi.org/10.1007/BF00152149.
- 24. Laurinavichene, T. V., Tolstygina, I. V., Galiulina, R. R., Ghirardi, M. L., Seibert, M., and Tsygankov, A. A. (2002) Dilution methods to deprive Chlamydomonas reinhardtii cultures of sulfur for subsequent hydrogen photoproduction, Int. J. Hydrogen Energy, 27, 1245-1249, https://doi.org/10.1016/S0360-3199 (02)00101-5.
- 25. Goltsev, V., Kalaji, H., Paunov, M., Bąba, W., Horaczek, T., Mojski, J., Kociel, H., and Allakhverdiev, S. (2016) Variable chlorophyll fluorescence and its use for assessing physiological condition of plant photosynthetic apparatus, Russ. J. Plant Physiol., 63, 869-893, https://doi.org/10.1134/S1021443716050058.
- 26. Kalaji, H. M., Jajoo, A., Oukarroum, A., Brestic, M., Zivcak, M., Samborska, I. A., Cetner, M. D., Łukasik, I., Goltsev, V., and Ladle, R. J. (2016) Chlorophyll a fluorescence as a tool to monitor physiological status of plants under abiotic stress conditions, Acta Physiol. Plantarum, 38, 1-11, https://doi.org/10.1007/s11738-016-2113-y.
- 27. Kovács, L., Vidal-Meireles, A., Nagy, V., and Tóth, S. Z. (2016) Quantitative determination of ascorbate from the green alga Chlamydomonas reinhardtii by HPLC, Bioprotocol, 6, e2067-e2067, https://doi.org/10.21769/BioProtoc.2067.
- 28. Moskalenko, A., Toropygina, O., and Makhneva, Z. (1997) Behavior of carotenoids in Rhodospirillum rubrum cells under cultivation with diphenylamine [in Russian], Dokl. Akad. Nauk, 355, 259-261.
- 29. Harris, E. H. (1989) Chlamydomonas Sourcebook, Academic Press San Diego.
- 30. 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, https://doi.org/10.1104/pp.75.1.212.
- 31. Grechanik, V. I., Bol’shakov, M. A., and Tsygankov, A. A. (2022) Hydrogen production by CO2 deprived photoautotrophic Chlamydomonas reinhardtii cultures, Biochemistry (Moscow), 87, 1098-1108, https://doi.org/10.1134/S0006297922100030.
- 32. Nagy, V., Vidal‐Meireles, A., Tengölics, R., Rákhely, G., Garab, G., Kovács, L., and Tóth, S. Z. (2016) Ascorbate accumulation during sulphur deprivation and its effects on photosystem II activity and H2 production of the green alga Chlamydomonas reinhardtii, Plant Cell Environ., 39, 1460-1472, https://doi.org/10.1111/pce.12701.
- 33. Антал Т., Кренделева Т., Лауринавичене Т., Макарова В., Цыганков А., Сейберт М., и Рубин А. (2001) Связь активности фотосистемы 2 микроводорослей Chlamydomonas reinhardtii с выделением водорода при серном голодании, Докл. Акад. Наук, 381, 119.
- 34. Zhang, L. P., Happe, T., and Melis, A. (2002) Biochemical and morphological characterization of sulfur-deprived and H2-producing Chlamydomonas reinhardtii (green alga), Planta, 214, 552-561, https://doi.org/10.1007/s004250100660.
