Синтез биоводорода клетками зеленых микроводорослей и способы его стимуляции

  • Маргарита Алексеевна Мыслейко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Максим Сергеевич Вечерек Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Джемма Гургеновна Маноян Ереванский государственный университет, ул. Алека Манукяна, 1, 0025, г. Ереван, Армения
  • Лилит Сергеевна Габриелян Ереванский государственный университет, ул. Алека Манукяна, 1, 0025, г. Ереван, Армения
  • Татьяна Викторовна Самович Институт экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Николай Владимирович Козел Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь; Крестьянское (фермерское) хозяйство «Серебряный ручей», 222202, д. Сосновая, Озерицко-Слободской с/с, Смолевичский р-н, Минская обл., Беларусь
  • Анна Олеговна Муравицкая Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Вадим Викторович Демидчик Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Использование микроводорослей для производства биоводорода является одним из перспективных направлений современной биотехнологии и прикладной альгологии. В клетках зеленых микроводорослей процесс синтеза биоводорода осуществляется в электрон-транспортной цепи хлоропластов с помощью фермента [FeFe]- гидрогеназы и служит физиологической адаптацией к анаэробным условиям. Детальное понимание механизма синтеза биоводорода позволяет эффективнее использовать микроводоросли в качестве источника экологически чистого топлива. В представленном аналитическом обзоре рассматриваются механизмы биопродукции Н2 и его потенциальные роли в физиологии, а также подходы к стимуляции производства Н2 для биотехнологических целей.

Биографии авторов

Маргарита Алексеевна Мыслейко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

студентка биологического факультета. Научный руководитель – кандидат биологических наук, доцент Б. В. Адамович

Максим Сергеевич Вечерек, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

студент биологического факультета. Научный руководитель – В. В. Демидчик

Джемма Гургеновна Маноян, Ереванский государственный университет, ул. Алека Манукяна, 1, 0025, г. Ереван, Армения

аспирантка кафедры биохимии, микробиологии и биотехнологии биологического факультета. Научный руководитель – Л. С. Габриелян

Лилит Сергеевна Габриелян, Ереванский государственный университет, ул. Алека Манукяна, 1, 0025, г. Ереван, Армения

кандидат биологических наук, доцент; доцент кафедры биохимии, микробиологии и биотехнологии биологического факультета

Татьяна Викторовна Самович, Институт экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук; старший научный сотрудник лаборатории роста и развития растений

Николай Владимирович Козел, Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь; Крестьянское (фермерское) хозяйство «Серебряный ручей», 222202, д. Сосновая, Озерицко-Слободской с/с, Смолевичский р-н, Минская обл., Беларусь

кандидат биологических наук, доцент; заведующий лабораторией биофизики и биохимии растительной клетки Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, главный технолог Крестьянского (фермерского) хозяйства «Серебряный ручей»

Анна Олеговна Муравицкая, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирантка кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета. Научный руководитель – В. В. Демидчик

Вадим Викторович Демидчик, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор биологических наук, член-корреспондент НАН Беларуси, профессор; декан биологического факультета

Литература

  1. Niccolai A, Chini Zittelli G, Rodolfi L, Biondi N, Tredici MR. Microalgae of interest as food source: biochemical composition and digestibility. Algal Research. 2019;42:101617. DOI: 10.1016/j.algal.2019.101617.
  2. Milledge JJ. Commercial application of microalgae other than as biofuels: a brief review. Reviews in Environmental Science and Biotechnology. 2011;10(1):31–41. DOI: 10.1007/s11157-010-9214-7.
  3. Borowitzka MA. Microalgae as sources of pharmaceuticals and other biologically active compounds. Journal of Applied Phycology. 1995;7(1):3–15. DOI: 10.1007/BF00003544.
  4. Guccione A, Biondi N, Sampietro G, Rodolfi L, Bassi N, Tredici MR. Chlorella for protein and biofuels: from strain selection to outdoor cultivation in a green wall panel photobioreactor. Biotechnology for Biofuels. 2014;7(1):84. DOI: 10.1186/1754-6834-7-84.
  5. Edwards PP, Kuznetsov VL, David WIF, Brandon NP. Hydrogen and fuel cells: towards a sustainable energy future. Energy Policy. 2008;36(12):4356–4362. DOI: 10.1016/j.enpol.2008.09.036.
  6. Gaffron H, Rubin J. Fermentative and photochemical production of hydrogen in algae. Journal of General Physiology. 1942; 26(2):219–240. DOI: 10.1085/jgp.26.2.219.
  7. Show K-Y, Lee D-J, Chang J-S. Bioreactor and process design for biohydrogen production. Bioresource Technology. 2011; 102(18):8524–8533. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.04.055.
  8. Show K-Y, Yan Y, Zong C, Guo N, Chang J-S, Lee D-J. State of the art and challenges of biohydrogen from microalgae. Bioresource Technology. 2019;289:121747. DOI: 10.1016/j.biortech.2019.121747.
  9. Ghirardi ML, Zhang L, Lee JW, Flynn T, Seibert M, Greenbaum E. Microalgae: a green source of renewable H2. Trends in Biotechnology. 2000;18(12):506–511. DOI: 10.1016/S0167-7799(00)01511-0.
  10. Hemschemeier A, Fouchard S, Cournac L, Peltier G, Happe T. Hydrogen production by Chlamydomonas reinhardtii: an elaborate interplay of electron sources and sinks. Planta. 2008;227(2):397–407. DOI: 10.1007/s00425-007-0626-8.
  11. Ghirardi ML, Posewitz MC, Maness P-C, Dubini A, Yu J, Seibert M. Hydrogenases and hydrogen photoproduction in oxygenic photosynthetic organisms. Annual Review of Plant Biology. 2007;58:71–91. DOI: 10.1146/annurev.arplant.58.032806.103848.
  12. Melis A, Zhang L, Forestier M, Ghirardi ML, Seibert M. Sustained photobiological hydrogen gas production upon reversible inactivation of oxygen evolution in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. Plant Physiology. 2000;122(1):127–136. DOI: 10.1104/ pp.122.1.127.
  13. Benemann JR, Weare NM. Hydrogen evolution by nitrogen-fixing Anabaena cylindrica cultures. Science. 1974;184(4133): 174–175. DOI: 10.1126/science.184.4133.174.
  14. Khetkorn W, Rastogi RP, Incharoensakdi A, Lindblad P, Madamwar D, Pandey A, et al. Microalgal hydrogen production – a review. Bioresource Technology. 2017;243:1194–1206. DOI: 10.1016/j.biortech.2017.07.085.
  15. Basak N, Jana AK, Das D, Saikia D. Photofermentative molecular biohydrogen production by purple-non-sulfur (PNS) bacteria in various modes: the present progress and future perspective. International Journal of Hydrogen Energy. 2014;39(13):6853–6871. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.02.093.
  16. Ghirardi ML, Dubini A, Yu J, Maness P-C. Photobiological hydrogen-producing systems. Chemical Society Reviews. 2009; 38(1):52–61. DOI: 10.1039/B718939G.
  17. Kosourov S, Nagy V, Shevela D, Jokel M, Messinger J, Allahverdiyeva Y. Water oxidation by photosystem II is the primary source of electrons for sustained H 2 photoproduction in nutrient-replete green algae. PNAS. 2020;117(47):29629–29636. DOI: 10.1073/ pnas.2009210117.
  18. Sawyer A, Bai Y, Lu Y, Hemschemeier A, Happe T. Compartmentalisation of [FeFe]‐hydrogenase maturation in Chlamydomonas reinhardtii. Plant Journal. 2017;90(6):1134–1143. DOI: 10.1111/tpj.13535.
  19. Happe T, Mosler B, Naber JD. Induction, localization and metal content of hydrogenase in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. European Journal of Biochemistry. 1994;222(3):769–774. DOI: 10.1111/j.1432-1033.1994.tb18923.x.
  20. Meyer J. [FeFe] hydrogenases and their evolution: a genomic perspective. Cellular and Molecular Life Sciences. 2007;64: 1063–1084. DOI: 10.1007/s00018-007-6477-4.
  21. Ghirardi ML, Togasaki RK, Seibert M. Oxygen sensitivity of algal H2-production. Applied Biochemistry and Biotechnology. 1997;63:141–151. DOI: 10.1007/BF02920420.
  22. Erickson E, Wakao S, Niyogi KK. Light stress and photoprotection in Chlamydomonas reinhardtii. Plant Journal. 2015;82(3): 449–465. DOI: 10.1111/tpj.12825.
  23. Greenbaum E. Photosynthetic hydrogen and oxygen production: kinetic studies. Science. 1982;215(4530):291–293. DOI: 10.1126/ science.215.4530.291.
  24. Cournac L, Mus F, Bernard L, Guedeney G, Vignais P, Peltier G. Limiting steps of hydrogen production in Chlamydomonas reinhardtii and Synechocystis PCC 6803 as analysed by light-induced gas exchange transients. International Journal of Hydrogen Energy. 2002;27(11–12):1229–1237. DOI: 10.1016/S0360-3199(02)00105-2.
  25. Cinco RM, Maclnnis JM, Greenbaum E. The role of carbon dioxide in light-activated hydrogen production by Chlamydomonas reinhardtii. Photosynthesis Research. 1993;38(1):27–33. DOI: 10.1007/BF00015058.
  26. Gfeller RP, Gibbs M. Fermentative metabolism of Chlamydomonas reinhardtii. II. Role of plastoquinone. Plant Physiology. 1985;77(2):509–511. DOI: 10.1104/pp.77.2.509.
  27. Gfeller RP, Gibbs M. Fermentative metabolism of Chlamydomonas reinhardtii. I. Analysis of fermentative products from starch in dark and light. Plant Physiology. 1984;75(1):212–218. DOI: 10.1104/pp.75.1.212.
  28. Gibbs M, Gfeller RP, Chen C. Fermentative metabolism of Chlamydomonas reinhardii. III. Photoassimilation of acetate. Plant Physiology. 1986;82(1):160–166. DOI: 10.1104/pp.82.1.160.
  29. Goulding KH, Merrett MJ. The photometabolism of acetate by Chlorella pyrenoidosa. Journal of Experimental Botany. 1966; 17(4):678–689. DOI: 10.1093/jxb/17.4.678.
  30. Bishop NI. The influence of the herbicide, DCMU, on the oxygen-evolving system of photosynthesis. Biochimica et Biophysica Acta. 1958;27:205–206. DOI: 10.1016/0006-3002(58)90313-5.
  31. Tamburic B, Zemichael FW, Maitland GC, Hellgardt K. A novel nutrient control method to deprive green algae of sulphur and initiate spontaneous hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy. 2012;37(11):8988–9001. DOI: 10.1016/ j.ijhydene.2012.02.043.
  32. Wykoff DD, Davies JP, Melis A, Grossman AR. The regulation of photosynthetic electron transport during nutrient deprivation in Chlamydomonas reinhardtii. Plant Physiology. 1998;117(1):129–139. DOI: 10.1104/pp.117.1.129.
  33. Kosourov S, Tsygankov A, Seibert M, Ghirardi ML. Sustained hydrogen photoproduction by Chlamydomonas reinhardtii: effects of culture parameters. Biotechnology and Bioengineering. 2002;78(7):731–740. DOI: 10.1002/bit.10254.
  34. Zhang L, Happe T, Melis A. Biochemical and morphological characterization of sulfur-deprived and H2-producing Chlamydomonas reinhardtii (green alga). Planta. 2002;214:552–561. DOI: 10.1007/s004250100660.
  35. Kosourov S, Seibert M, Ghirardi ML. Effects of extracellular pH on the metabolic pathways in sulfur-deprived, H2-producing Chlamydomonas reinhardtii cultures. Plant and Cell Physiology. 2003;44(2):146–155. DOI: 10.1093/pcp/pcg020.
  36. Scoma A, Durante L, Bertin L, Fava F. Acclimation to hypoxia in Chlamydomonas reinhardtii: can biophotolysis be the major trigger for long‐term H2 production? New Phytologist. 2014;204(4):890–900. DOI: 10.1111/nph.12964.
  37. He M, Li L, Zhang L, Liu J. The enhancement of hydrogen photoproduction in Chlorella protothecoides exposed to nitrogen limitation and sulfur deprivation. International Journal of Hydrogen Energy. 2012;37(22):16903–16915. DOI: 10.1016/j.ijhydene. 2012.08.121.
  38. Philipps G, Happe T, Hemschemeier A. Nitrogen deprivation results in photosynthetic hydrogen production in Chlamydomonas reinhardtii. Planta. 2012;235(4):729–745. DOI: 10.1007/s00425-011-1537-2.
  39. Peltier G, Schmidt GW. Chlororespiration: an adaptation to nitrogen deficiency in Chlamydomonas reinhardtii. PNAS. 1991; 88(11):4791–4795. DOI: 10.1073/pnas.88.11.4791.
  40. Manoyan J, Samovich T, Kozel N, Demidchik V, Gabrielyan L. Growth characteristics, biohydrogen production and photochemical activity of photosystems in green microalgae Parachlorella kessleri exposed to nitrogen deprivation. International Journal of Hydrogen Energy. 2022;47(38):16815–16823. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.03.194.
  41. Manoyan J, Hakobyan L, Samovich T, Kozel N, Sahakyan N, Muravitskaya H, et al. Comparison of sulfur and nitrogen deprivation effects on photosynthetic pigments, polyphenols, photosystems activity and H2 generation in Chlorella vulgaris and Parachlorella kessleri. International Journal of Hydrogen Energy. 2024;59:408–418. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.02.035.
  42. Batyrova K, Gavrisheva A, Ivanova E, Liu J, Tsygankov A. Sustainable hydrogen photoproduction by phosphorus-deprived marine green microalgae Chlorella sp. International Journal of Molecular Sciences. 2015;16(2):2705–2716. DOI: 10.3390/ijms16022705.
  43. Batyrova KA, Tsygankov AA, Kosourov SN. Sustained hydrogen photoproduction by phosphorus-deprived Chlamydomonas reinhardtii cultures. International Journal of Hydrogen Energy. 2012;37(10):8834–8839. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.01.068.
  44. Nagy V, Podmaniczki A, Vidal-Meireles A, Tengölics R, Kovács L, Rákhely G, et al. Water-splitting-based, sustainable and efficient H 2 production in green algae as achieved by substrate limitation of the Calvin – Benson – Bassham cycle. Biotechnology for Biofuels. 2018;11:69. DOI: 10.1186/s13068-018-1069-0.
  45. Song W, Rashid N, Choi W, Lee K. Biohydrogen production by immobilized Chlorella sp. using cycles of oxygenic photosynthesis and anaerobiosis. Bioresource Technology. 2011;102(18):8676–8681. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.02.082.
Опубликован
2024-07-04
Ключевые слова: водоросли, биоводород, гидрогеназа, депривация элементов, фотобиореактор
Как цитировать
Мыслейко, М. А., Вечерек, М. С., Маноян, Д. Г., Габриелян, Л. С., Самович, Т. В., Козел, Н. В., Муравицкая, А. О., & Демидчик, В. В. (2024). Синтез биоводорода клетками зеленых микроводорослей и способы его стимуляции. Экспериментальная биология и биотехнология, 2, 36-45. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/biology/article/view/6394
Выпуск
№ 2 (2024): Экспериментальная биология и биотехнология
Раздел
Обзорные статьи

Copyright (c) 2024 Экспериментальная биология и биотехнология

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).