Регулируемые светом модели движения зеленых водорослей, производящих водород, могут улучшить конструкцию фотобиореактора!
Исследователи из Байройтского университета и Института динамики и самоорганизации Макса Планка в Геттингене исследовали модели движения одноклеточных, производящих водород зеленых водорослей при различной интенсивности света. Их результаты будут способствовать оптимизации использования этих микроорганизмов в биотехнологических приложениях, таких как производство возобновляемых источников энергии.
Фотосинтетические микроорганизмы используют свет в качестве источника энергии и функционируют как живые миниатюрные фабрики, которые производят кислород и накапливают углерод, преобразуя солнечный свет в химическую энергию. В дополнение к своей экологической роли в качестве углеродных поглотитей, эти микроорганизмы также имеют решающее значение для устойчивого технологического применения в климатически нейтральных отраслях.
Они используются, например, в так называемых фотобиореакторах для выборочного производства химических соединений для возобновляемого биотоплива и водорода для топливных элементов. Однако условия окружающей среды влияют на подвижность отдельных микроорганизмов, что, в свою очередь, влияет на передвижение всего сообщества. Лучшее понимание этих моделей движения поможет улучшить конструкцию эффективных фотобиореакторов.
Фотосинтетические микроорганизмы, такие как одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas, являются настоящими мастерами адаптации. В отсутствие света и кислорода метаболизм этой водоросли переходит в своего рода энергосберегающий режим, в котором молекулярный водород вырабатывается в качестве побочного продукта.
Интенсивность света напрямую регулирует подвижность отдельных клеток: чем сильнее интенсивность света, тем быстрее клетки движутся в воде; чем слабее свет, тем медленнее они плавают. Это показывает прямую корреляцию между интенсивностью света и скоростью плавания.
Однако до сих пор влияние индивидуального движения на коллективное плавательное поведение целой популяции одноклеточных организмов не было известно.
Исследователи под руководством профессора доктора Оливер Бяумхен, заведующий кафедрой экспериментальной физики V в Байройтском университете, изучил движение отдельных клеток Chlamydomonas и их влияние на так называемую суспензию Chlamydomonas - микробное сообщество, которое плавает в водной среде.
Их исследование показало, что клетки Chlamydomonas с большей вероятностью будут обнаружены вблизи поверхности воды при высокой интенсивности освещенности, а не на более низких глубинах.
"Такое поведение обусловлено склонностью микроорганизмов двигаться против гравитации. В естественном водоеме это обеспечивает эволюционное преимущество, так как одноклеточные организмы на поверхности имеют лучший доступ к свету, чем организмы на больших глубинах", - объясняет Бяумхен.
Кроме того, исследовательская группа обнаружила, что по мере снижения фотосинтетической активности и, как следствие, подвижности отдельных клеток во всем клеточном сообществе появляются направленные токи. Эта коллективная подвижность проявляется в виде регулярной трехмерной модели потока, в которой скорость потока и распределение клеток напрямую контролируются интенсивностью света.
"Эти течения возникают в крайне неблагоприятных условиях одновременного дефицита света и кислорода и потенциально могут помочь микробному коллективу расширить свое исследование своей естественной среды обитания в поисках лучших условий", - говорит Бяумхен.
