Short-term photoinhibition induces long-term hydrogen photoproduction in a phototrophic culture of Chlorella sorokiniana on complete medium

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

This work demonstrates, for the first time, the capacity of Chlorella sorokiniana immobilized in alginate to produce hydrogen (H2) over an extended period when cultivated under strictly photoautotropic conditions on complete mineral medium. In order to reduce photosynthetic activity, immobilized cells were subjected to a 30-minute pre-incubation period at a high light intensity of 1000 μmol photons m2∙s–1. The ability to produce H2 was evaluated under illumination of 40 μmol/(m2∙s). The culture not bubbled with argon produced H2 for 9 days; the total gas yield was 0.1 mol H2/m2. In an argon atmosphere, the release of H2 continued for 51 days, resulting in a total yield of 0.55 mol H2/m2. The immobilized culture was capable of H2 production at 16% O2 in the gas phase, which may be due to the effects of photoinhibition and activation of oxygen uptake pathways in mitochondria and chloroplast. Analysis of the functioning of the electron-transport chain in microalgae cells revealed a decrease in the rate of electron transport, an increase in the size of the PSII antenna and the development of non-photochemical quenching processes, while the activity of PSII remained moderately high (Fv/Fm = 0.4-0.6). Inhibitor analysis using 10–5 M DCMU demonstrated that the contribution of PSII to the hydrogenase reaction increased from 30% on the first day of the experiment to 50% by the fourth day. The addition of 10–5 M DBMIB led
to a 90% reduction in the rate of H2 formation on both day 1 and day 4.

作者简介

A. Volgusheva

Department of Biophysics, Faculty of Biology, Moscow State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: volgusheva_alena@mail.ru
Moscow

T. Antal

Laboratory of Integrated Environmental Research, Pskov State University

Email: volgusheva_alena@mail.ru
Pskov

参考

  1. Kalamaras, C. M., and Efstathiou, A. M. (2013) Hydrogen production technologies: current state and future developments, Conf. Papers Energy, 6, 1-9, https://doi.org/10.1155/2013/690627.
  2. Kosourov, S., Böhm, M., Senger, M., Berggren, G., Stensjö, K., Mamedov, F., Lindblad, P., and Allahverdiyeva, Y. (2021) Photosynthetic hydrogen production: Novel protocols, promising engineering approaches and application of semisynthetic hydrogenases, Physiol. Plant., 173, 555-567, https://doi.org/10.1111/ppl.13428.
  3. Tsygankov, A. A. (2007) Biological generation of hydrogen, Russ. J. Gen. Chem., 77, 685-693, https://doi.org/10.1134/S1070363207040317.
  4. Antal, T. K., Krendeleva, T. E., and Rubin, A. B. (2011) Acclimation of green algae to sulfur deficiency: underlying mechanisms and application for hydrogen production, Appl. Microbiol. Biotechnol., 89, 3-15, https://doi.org/10.1007/s00253-010-2879-6.
  5. Volgusheva, A., Styring, S., and Mamedov, F. (2013) Increased photosystem II stability promotes H2 production in sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110, 7223-7228, https://doi.org/10.1073/pnas.1220645110.
  6. Antal, T., Petrova, E., Slepnyova, V., Kukarskikh, G., Volgusheva, A., Dubini, A., and Rubin, A. B. (2020) Photosynthetic hydrogen production as acclimation mechanism in nutrient-deprived Chlamydomonas, Algal Res., 49, 101951, https://doi.org/10.1016/j.algal.2020.101951.
  7. Liran, O., Semyatich, R., Milrad, Y., Eilenberg, H., Weiner, I., and Yacoby, I. (2016) Microoxic niches within the thylakoid stroma of air-grown Chlamydomonas reinhardtii protect [FeFe]-hydrogenase and support hydrogen production under fully aerobic environment, Plant Physiol., 172, 264-271, https://doi.org/10.1104/pp.16.01063.
  8. Kosourov, S., Jokel, M., Aro, E. M., Allahverdiyeva, Y. (2018) A new approach for sustained and efficient H2 photoproduction by Chlamydomonas reinhardtii, Energy Environ. Sci., 11, 1431-1436, https://doi.org/10.1039/C8EE00054A.
  9. Milrad, Y., Schweitzer, S., Feldman, Y., and Yacoby, I. (2018) Green algal hydrogenase activity is outcompeted by carbon fixation before inactivation by oxygen takes place, Plant Physiol., 177, 918-926, https://doi.org/10.1104/pp.18.00229.
  10. Hwang, J. H., Kim, H. C., Choi, J. A., Abou-Shanab, R. A. I., Dempsey, B. A., Regan, J. M., Kim, J. R., Song, H., Nam, I. H., Kim, S. N., Lee, W., Park, D., Kim, Y., Choi, J., Ji, M. K., Jung, W., and Jeon, B. H. (2014) Photoautotrophic hydrogen production by eukaryotic microalgae under aerobic conditions, Nat. Commun., 5, 3234, https://doi.org/10.1038/ncomms4234.
  11. Melis, A., Zhang, L., 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, 127-136, https://doi.org/10.1104/pp.122.1.127.
  12. Tsygankov, A. (2002) Hydrogen photoproduction under continuous illumination by sulfur-deprived, synchronous Chlamydomonas reinhardtii cultures, Int. J. Hydrog. Energy, 27, 1239-1244, https://doi.org/10.1016/S0360-3199(02)00108-8.
  13. 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.
  14. He, M., Li, L., Zhang, L., and Liu, J. (2012) The enhancement of hydrogen photoproduction in Chlorella protothecoides exposed to nitrogen limitation and sulfur deprivation, Int. J. Hydrog. Energy, 37, 16903-16915, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.08.121.
  15. Batyrova, K. A., Tsygankov, A. A., and Kosourov, S. N. (2012) Sustained hydrogen photoproduction by phosphorus-deprived Chlamydomonas reinhardtii cultures, Int. J. Hydrog. Energy, 37, 8834-8839, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.01.068.
  16. Papazi, A., Gjindali, A. I., Kastanaki, E., Assimakopoulos, K., Stamatakis, K., and Kotzabasis, K. (2014) Potassium deficiency, a "smart" cellular switch for sustained high yield hydrogen production by the green alga Scenedesmus obliquus, Int. J. Hydrog. Energy, 39, 19452-19464, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.09.096.
  17. Batyrova, K., Gavrisheva, A., Ivanova, E., Liu, J., and Tsygankov, A. (2015) Sustainable hydrogen photoproduction by phosphorus-deprived marine green microalgae Chlorella sp., Int. J. Mol. Sci., 16, 2705-2716, https://doi.org/10.3390/ijms16022705.
  18. Krishna, P. S., Styring, S., Mamedov, F. (2019) Photosystem ratio imbalance promotes direct sustainable H2 production in Chlamydomonas reinhardtii, Green Chem., 21, 4683-4690, https://doi.org/10.1039/C9GC01416K.
  19. Khosravitabar, F., and Mamedov, F. (2023) Partial inhibition of the inter-photosystem electron transfer at cytochrome b 6f complex promotes periodic surges of hydrogen evolution in Chlamydomonas reinhardtii, Int. J. Hydrog. Energy, 48, 36314-36326, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.06.050.
  20. Kosourov, S. N., and Seibert, M. (2009) Hydrogen photoproduction by nutrient-deprived Chlamydomonas reinhardtii cells immobilized within thin alginate films under aerobic and anaerobic conditions, Biotech Bioeng., 102, 50-58, https://doi.org/10.1002/bit.22050.
  21. Volgusheva, A., Kosourov, S., Lynch, F., and Allahverdiyeva, Y. (2019) Immobilized heterocysts as microbial factories for sustainable nitrogen fixation, J. Biotechnol., 306, 100016, https://doi.org/10.1016/j.btecx.2020.100016.
  22. Tsygankov, A., and Kosourov, S. (2014) Immobilization of photosynthetic microorganisms for efficient hydrogen production, In Microbial BioEnergy: Hydrogen Production (Zannoni, D., and De Philippis, R., eds), Dordrecht, Springer Netherlands, p. 321-347, https://doi.org/10.1007/978-94-017-8554-9_14.
  23. Tsygankov, A., Kosourov, S., Tolstygina, I., Ghirardi, M., and Seibert, M. (2006) Hydrogen production by sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii under photoautotrophic conditions, Int. J. Hydrog. Energy, 31, 1574-1584, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.06.024.
  24. Tolstygina, I. V., Antal, T. K., Kosourov, S. N., Krendeleva, T. E., Rubin, A. B., and Tsygankov, A. A. (2009) Hydrogen production by photoautotrophic sulfur deprived Chlamydomonas reinhardtii pre-grown and incubated under high light, Biotechnol. Bioeng., 102, 1055-1061, https://doi.org/10.1002/bit.22148.
  25. Solovchenko, A., Pogosyan, S., Chivkunova, O., Selyakh, I., Semenova, L., Voronova, E., et al. (2014) Phycoremediation of alcohol distillery wastewater with a novel Chlorella sorokiniana strain cultivated in a photobioreactor monitored on-line via chlorophyll fluorescence, Algal Res., 6, 234-241, https://doi.org/10.1016/j.algal.2014.01.002.
  26. Harris, E. H. (1989) The Chlamydomonas sourcebook: A Comprehensive Guide to Biology and Laboratory Use, San Diego, Academic Press, 780 pp.
  27. Lichtenthaler, H. K. (1987) Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic biomembranes, in Methods in Enzymology, Elsevier, p. 350-382.
  28. 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.
  29. Lazár, D. (2006) The polyphasic chlorophyll a fluorescence rise measured under high intensity of exciting light, Funct. Plant Biol., 33, 9-30, https://doi.org/10.1071/FP05095.
  30. Strasser, R. J., Tsimilli-Michael, M., Qiang, S., and Goltsev, V. (2010) Simultaneous in vivo recording of prompt and delayed fluorescence and 820-nm reflection changes during drying and after rehydration of the resurrection plant Haberlea rhodopensis, Biochim. Biophys. Acta, 1797, 1313-1326, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2010.03.008.
  31. 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, 69, https://doi.org/10.1186/s13068-018-1069-0.
  32. Markov, S., Eivazova, E., and Greenwood, J. (2006) Photostimulation of H2 production in the green alga Chlamydomonas reinhardtii upon photoinhibition of its O2-evolving system, Int. J. Hydrog. Energy, 31, 1314-1317, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2005.11.017.
  33. Petrova, E. V., Kukarskikh, G. P., Krendeleva, T. E., and Antal, T. K. (2020) The mechanisms and role of photosynthetic hydrogen production by green microalgae, Microbiology, 89, 251-265, https://doi.org/10.1134/S0026261720030169.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».