|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Использование нанотехнологий для оптимизации фотосинтеза и повышения продуктивности микроводорослейНИР
Nanobionics to empower photosynthesis and productivity of microalgae
- Руководитель НИР: Рубин А.Б.
- Участники НИР: Антал Т.К., Волгушева А.А., Кренделева Т.Е., Кукарских Г.П., Максимов Е.Г., Тодоренко Д.А., Яковлева О.В.
- Подразделение: Кафедра биофизики
- Срок исполнения: 30 марта 2015 г. - 31 декабря 2017 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 15-54-78014Итал_а
- Номер ЦИТИС: 115032670031
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Физико-химические основы биологии и биотехнологии
- ПН России: Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 34.17.05 Методы и аппаратура в биофизике
- 34.17.09 Фотофизические и фотохимические процессы в биологии
- 34.17.15 Молекулярная биофизика
-
Ключевые слова:
возобновляемые источники энергии, микроводоросли, молекулярный водород, нанотехнология, трансформация энергии, фотосинтез, chlamydomonas reinhardtii, одностенные углеродные нанотрубки, биотопливо
energy transformation, chlamydomonas reinhardtii, biofuel, microalgae, single-walled carbon nanotubes, molecular hydrogen, nanotechnology, photosynthesis -
Описание:
Экономический рост и проблемы глобального устойчивого развития обеспечивают пристальный научный интерес к фотосинтезу как основному источнику продовольственных товаров, а также различных видов топлива. Широкое распространение фотосинтеза в природе и его значительный вклад в глобальный круговорот веществ и энергии обусловлены использованием практически неистощимых запасов солнечной энергии, воды и двуокиси углерода для синтеза химической энергии. Многие современные фундаментальные исследования фотосинтеза направлены, в конечном итоге, на повышение выхода целевых продуктов, в том числе за счет увеличения эффективности использования световой энергии в первичных реакциях фотосинтеза. Как известно, фотосинтетические пигменты растений поглощают свет, в основном, в красной и синей области видимого света, поэтому расширение спектра фотосинтетически активной радиации за счет включения волн УФ, ИК и зеленого диапазона должно приводить к увеличению скорости фотосинтеза, что особенно важно для регионов с низким уровнем инсоляции. В настоящее время ведутся активные разработки по повышению скорости фотосинтеза за счет введения в хлоропласт растений одностенных углеродных нанотрубок (ОСУНТ), которые обладают высокой способностью поглощать свет в широком диапазоне длин волн. К настоящему времени появились первые данные по исследованию действия ОСУНТ на фотосинтетические реакции в выделенных хлоропластах высших растений, свидетельствующие о значительном увеличении поглощения света и скорости фотосинтеза. Данный эффект обусловлен двумя специфическими свойствами ОСУНТ: 1) поглощением света в УФ и ИК области, а также зеленого света; 2) способностью полупроводниковых ОСУНТ преобразовывать поглощенный свет в экситоны и передавать их в фотосинтетические светособирающие комплексы с последующей трансформацией энергии возбуждения в энергию химических связей. Более того, ОСУНТ могут использоваться для доставки в клетку мощных антиоксидантов, таких как частицы наноцерия и наноалмаза, которые способствуют тушению активных форм кислорода, формирующихся в реакциях преобразования энергии. Водоросли уже давно используются для коммерческого производства различных полезных продуктов, включая витаминизированные пищевые добавки, красящие агенты, косметику, и др. В настоящее время ведутся активные поисковые исследования, направленные на разработку подходов по повышению эффективности использования микроводорослей для получения некоторых дорогостоящих продуктов, таких как омега-3 жирные кислоты, каротиноид астаксантин, а также возобновляемые источники энергии: биотопливо и молекулярный водород. Поскольку фотосинтетический аппарат зеленых микроводорослей имеет значительное сходство с фотосинтетическим аппаратом высших растений, то можно ожидать похожий эффект ОСУНТ на фотосинтетические реакции в хлоропласте микроводорослей, как и в хлоропласте высших растений. Основной целью данных исследований является комплексное детальное изучение действия ОСУНТ на процессы трансформации энергии в модельной зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii и, в частности, на способность клеток водорослей продуцировать молекулярный водород на свету.
- Добавил в систему: Рубин Андрей Борисович
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 30 марта 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Использование нанотехнологий для оптимизации фотосинтеза и повышения продуктивности микроводорослей |
| Результаты этапа: Для выполнения поставленных в текущем году научных задач было исследовано влияниеразных полос монохроматического света и начальной величины рН среды на фотообразование водорода, фотохимическую активность ФС2 и накопление/расходование крахмала в иммобилизованной культуре C. reinhardtii в условиях дефицита серы. Впервые показано, что освещение клеток монохроматическим светом, который поглощается преимущественно фотосистемой (ФС) 1, значительно повышает фотообразование водорода по сравнению с монохроматическим светом, поглощаемым в основном ФС 2. Стимулирующий эффект световых волн, возбуждающих ФС1, на фотопродукцию водорода был обусловлен снижением скорости инактивации ФС2 и более эффективным использованием крахмала в качестве источника электронов для синтеза водорода. Фотохимическая активность ФС2 и скорость накопления крахмала в иммобилизованных клетках в значительной степени зависели от начальной величины рН среды, что, в свою очередь, оказывало влияние на скорость и продолжительность процесса фотообразования водорода. Так, оптимальные для фотопродукции водорода значения рН среды располагались в диапазоне 6.5 - 7.0. В работе также исследовали особенности влияния таких фотосинтетических и дыхательных ингибиторов и разобщителей как диурон, FCCP, миксотиазол и антимицинА на фотопродукцию водорода в иммобилизованной голодающей по сере культуре C. reinhardtii. Нами показан значительный стимулирующий эффект FCCP и антимицинаА на продукцию водорода, свидетельствующий об ингибирующем действии транстилакоидного градиента рН и циклического транспорта электронов вокруг ФС1 на скорость переноса электронов из фотосинтетической цепи на гидрогеназу. Эксперименты по разработке протокола иммобилизации с высоким содержанием клеток в альгинатных пленках показали, что содержание хлорофилла в пленках можно увеличить с 250 до 330 мг м-2, однако при более высоких значениях хлорофилла снижается качество иммобилизации. | ||
| 2 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Использование нанотехнологий для оптимизации фотосинтеза и повышения продуктивности микроводорослей |
| Результаты этапа: Для выполнения поставленных в текущем году научных задач нами было подробно изучено влияние одностенных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) на ростовые и фотосинтетические характеристики зеленой микроводоросли C. reinhardtii сс400 с редуцированной клеточной стенкой. В частности, были исследованы процессы миграции энергии и первичного разделения зарядов в ФС2, функциональное состояние ФС2 и ФС1, фотосинтетический электронный транспорт, основные регуляторные механизмы в хлоропласте, а также спектральные свойства водорослевых клеток в присутствии функционализированных ОСУНТ, предоставленных итальянской стороной проекта. Впервые показано, что ОСУНТ оказывают фотозащитное действие в диапазоне низкотоксичных концентраций от 2х до 4х мкг мл-1. Фотозащитное действие проявлялось в ходе длительной (более суток) инкубации культуры в присутствии нанотрубок в условиях, способствующих развитию фотоингибирования. Фотозащитный эффект ОСУНТ выражался, прежде всего, в снижении скорости функциональной инактивации ФС2. В частности, клетки в присутствии ОСУНТ характеризовались повышенным содержанием фотохимически активных центров ФС2 и снижением фракции Qb – невосстанавливающих центров ФС2 в условиях фотоингибирования. Более того, скорость фотосинтетического электронного транспорта и величина фотохимического тушения были заметно выше в обработанных клетках по сравнению с контролем, что свидетельствует о более высокой скорости фотосинтеза. Изучение возможных механизмов фотозащитного действия нанотрубок обнаружило значительный рост нефотохимического тушения (NPQ) в антенных комплексах ФС2 в присутствии ОСУНТ. Как известно, нефотохимическое тушение является основным механизмом защиты от фотоингибирования. При этом присутствие нанотрубок не оказывало влияния на механизм регуляции энергетического баланса между фотосистемами (переход состояний) и циклический транспорт электронов вокруг ФС2. Также показано, что в обработанных клетках практически не изменялись такие характеристики ФС2 как светопоглощение, миграция энергии из периферической антенны в реакционный центр, первичное разделение зарядов, прямой и обратный перенос электронов, что дает основание полагать маловероятным энергетическое взаимодействие между ФС2 и нанотрубками. Необходимо отметить, что полученные результаты указывают на возможность тушения возбуждения в антенне ФС1 в присутствии ОСУНТ. | ||
| 3 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Использование нанотехнологий для оптимизации фотосинтеза и повышения продуктивности микроводорослей |
| Результаты этапа: В проекте впервые исследовали возможность использования наночастиц для оптимизации фотосинтеза и продукционных характеристик культур микроводорослей. В частности, были проведены комплексные исследования действия одностенных углеродных нанотрубок (ОСУНТ), наноалмазов и наноцерия на процессы трансформации энергии в клетках модельной зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii (штамм сс400 с редуцированной клеточной стенкой), способной к фотообразованию водорода в условиях дефицита серы. Для выполнения поставленных в проекте задач, в первую очередь, была проведена оптимизация протокола продукции водорода в культуре C. reinhardtii, иммобилизованной в альгинатных пленках. Для этого исследовали влияние спектральных характеристик источника света, начальных значений рН среды и содержания хлорофилла в клетках водорослей на фотообразование водорода, фотохимическую активность ФС2 и накопление/расходование крахмала в условиях дефицита серы. Впервые показано, что освещение клеток монохроматическим светом, который поглощается преимущественно в антенне фотосистемы (ФС)1, значительно повышает стабильность ФС2 и выход водорода по сравнению со светом, поглощаемым ФС2. Выявлены оптимальные для фотопродукции водорода в иммобилизованной культуре диапазоны значений интенсивности света, рН среды и содержания хлорофилла. Подробное изучение влияния нанотрубок на ростовые и фотосинтетические характеристики C. reinhardtii выявило их фотопротекторное действие в интервале низкотоксичных концентраций от 2х до 4х мкг мл-1 в условиях минерального голодания, света высокой интенсивности и окислительного стресса, индуцированного гербицидом метил виологеном. Показано, что фотозащитный эффект ОСУНТ выражается, прежде всего, в снижении скорости функциональной инактивации ФС2 и сопровождается значительным ростом нефотохимического тушения (NPQ) в антенных комплексах ФС2 при всех протестированных условиях. Результаты исследований указывают на возможную роль в фотозащите также антиоксидантной активности нанотрубок и тушения возбуждения в антенне ФС1. Исследование влияния частиц наноалмазов на фотосинтетические реакции в клетках C. reinhardtii выявило фотозащитное действие в концентрации 40 мкг мл-1, в то время как частицы наноцерия не обладали подобным действием. Фотозащитный эффект наноалмазов проявляется в стабилизации ФС2 при действии различных неблагоприятных факторов, включая свет высокой интенсивности, дефицит минерального питания и окислительный стресс. Протекторное действие наноалмазов обусловлено, в основном, их антиоксидантной активностью. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".