Искусственный и природный фотосинтез для получения энергоносителей.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 15-14-30007

НазваниеИскусственный и природный фотосинтез для получения энергоносителей.

Руководитель Цыганков Анатолий Анатольевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт фундаментальных проблем биологии РАН , Московская обл

Конкурс №9 - Конкурс 2015 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований с представлением результатов в рамках международной конференции (конгресса)»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-206 - Физиология и биохимия растений

Ключевые слова Фотосинтез, биоводород, искусственный фотосинтез, гидрогеназа, микроводоросли, пурпурные бактерии

Код ГРНТИ34.17.09

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение “узких мест” в использовании фотосинтеза для получения энергоносителей, начиная от накопления биомассы, богатой энергией, включая выделение водорода и получение электрического тока фотосинтезирующими организмами и заканчивая искусственными системами. Актуальность проекта определяется необходимостью поиска и освоения человечеством альтернативных экологически чистых энергоносителей. Солнечная энергия является возобновляемой, и создание энергоносителей с ее использованием позволит создать принципиально новую энергетику для человечества. Практическая реализация запасания солнечной энергии в виде биомассы, богатой энергией, водорода или электрического тока возможна с помощью живых (природных или генно-модифицированных) организмов, их фрагментов или биомакромолекул, а также с помощью гибридных систем, основанных на механизмах, заложенных природой в живых системах. Принципиальными проблемами, требующими решения для практической реализации таких фотобиологических систем, являются недостаточная эффективность преобразования энергии света и низкая удельная скорость процессов. Исследования, направленные на изучение механизмов преобразования солнечной энергии в водород разными биологическими системами, а также искусственными системами активно проводятся в ряде лабораторий с мировой известностью. Однако задача использования биологических систем или создания искусственных систем для преобразования световой энергии является чрезвычайно сложной вследствие своей мультидисциплинарности. Новизна предлагаемого проекта заключается, во-первых, в комплексном подходе к изучению проблемы и, во-вторых, в оригинальных идеях по изучению “узких мест” исследуемых процессов. В предлагаемой заявке предполагается исследования на разных уровнях организации биологических систем, способных к преобразованию световой энергии: уровень интегрированных систем; уровень культур фототрофных микроорганизмов (микроводоросли, пурпурные бактерии); уровень отдельных молекул; уровень искусственных систем на основе биомолекул (ферментный электрод на основе гидрогеназы, искусственный фотосинтез). В заявке предполагается изучение запасания энергии в виде водорода интегрированными системами, включающими микроводоросли, накапливающими биомассу, богатую энергией, консорциум микроорганизмов, преобразующий биомассу микроводорослей в водород и летучие жирные кислоты (ацетат и бутират) и пурпурные бактерии, преобразующие на свету летучие жирные кислоты в водород. Отдельные элементы интегрированной системы активно исследуются последние годы, однако в литературе отсутствуют оценки общей эффективности данной системы (отношение полученной энергии к внесенной в систему). Нами уже отработаны подходы для оценки эффективности запасания световой энергии в биомассе микроводорослей, подходы для оценки эффективности темнового консорциума, сбраживающего микроводоросли. Кроме того авторы являются мировыми лидерами в области изучения выделения водорода пурпурными бактериями. Предполагаемое изучение выделения водорода микроводорослями (уровень организмов) будет направлено на исследование различий в процессе выделения выделении водорода при недостатке серы, азота или фосфора. Авторы заявки имеют большой опыт в изучении микроводорослей в условиях недостатка серы. Они впервые обнаружили способность к выделению водорода микроводорослями в условиях недостатка фосфора и имеют опыт получения культур в условиях недостатка азота. Систематических сравнительных исследований процессов адаптации микроводорослей к недостатку серы, фосфора и азота в анаэробных и аэробных условиях в мировой литературе не описано. С целью увеличения выделения водорода пурпурными бактериями (уровень живых организмов) предложено использовать мутанты, не способные к синтезу периферийной антенны. Ранее нами было доказано в краткосрочных экспериментах, что такие мутанты способны к большей объемной скорости выделения водорода, чем родительские штаммы. Однако стабильное длительное выделение водорода непрерывными культурами таких мутантов до сих пор не показано. В заявке предполагается изучение особенностей строения и функционирования дистального железосерного кластера железоникелевой гидрогеназы HydSL из Thiocapsa roseopersicina (уровень отдельных молекул). Авторы заявки имеют богатый опыт изучения гидрогеназ. В настоящее время создана модель гидрогеназы. Сравнение экспериментальных данных о влиянии положительно заряженных ионов и ароматических соединений на гидрогеназную активность с модельными расчетами выявит точность нашей модели и позволит использовать ее (если необходимо, то после корректировки) в дальнейшем для разработки точечных мутаций, исследования ее структуры и ее видоизменения для биотехнологического использования. При изучении иммобилизованной на электроде гидрогеназы в топливном элементе (уровень искусственных систем) авторы предполагают, что основным лимитирующим звеном является процесс переноса водорода к гидрогеназе в растворе и планируют создание экспериментальных условий, когда гидрогеназный электрод напрямую контактирует с водородом в виде газа. В исследовании искусственного фотосинтеза (уровень искусственных систем) новизна заключается в решении проблемы высокой уязвимости донорной стороны фотосистемы 2 к действию повреждающих факторов с помощью направленной разработки искусственных марганецсодержащих органических и неорганических синтетических комплексов и заменой этими комплексами исходного кислород-выделяющего комплекса фотосистемы 2. Основным многообещающим подходом будут исследования молекулярной структуры активного центра водоокисляющего комплекса и механизма каталитического расщепления воды с помощью биохимических и биофизических методов. В процессе выполнения проекта авторы планируют провести в 2016 г международную конференцию «Photosynthesis research for sustainability-2016» на территории России (с участием не менее 55 зарубежных ученых) и школу для молодых ученых (с участием не менее 35 молодых ученых и 8 зарубежных лекторов), а в 2017 г - школу для молодых ученых (с участием не менее 35 молодых ученых и 8 зарубежных лекторов). Использование адекватных современных методов и большой опыт коллектива позволяют надеться, что идеи проекта будут реализованы в соответствующие сроки и основным итогом проекта будет получение новых фундаментальных знаний о функционировании разных уровней биологических систем, способных к преобразованию световой энергии, которые будут доведены до мировой научной общественности на конференции и школах для молодых ученых.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Gavrisheva A.I., Belokopytov B.F., Semina V.I., Shastik E.S., Laurinavichene T.V., Tsygankov A.A. Mass-energy balance analysis for estimation of light energy conversion in an integrated system of bilogical H2 production Biofuel Research Journal, v. 8, p. 324-330 (год публикации - 2015)
10.18331/BRJ2015.2.4.7

2. Najafpur M.M., Hosseini S.M., Holynska M., Tomo T., Allakhverdiev S.I. Platinum/manganese oxide nanocomposites as water-oxidizing catalysts: new findings and current controversies International Journal of Hydrogen energy, v. 40, No. 34, 10825-10832 (год публикации - 2015)
10.1016/j.ijhydene.2015.06.136

3. Tsygankov A.A., Abdullatypov A.V. Hydrogen Metabolism in Microalgae Photosynthesis: New Approaches to the Molecular, Cellular, and Organismal Level. Scrivener Publishing and Wiley, New Jersey, 133-162 (год публикации - 2016)

4. Najapour M.M., Hosseini S.M., Holynska M., Tomo T., Allakhverdiev S.I. Gold nanorods or nanoparticles deposited on layered manganese oxide: new findings New Journal of Chemistry, v. 39, p. 7260-7267 (год публикации - 2015)
10.1039/c5nj01392e

Публикации

1. Волошин Р.А., Родионова М.А., Жармухамедов С.К., Везироглы Т.Н., Аллахвердиев С.И. Review: Biofuel production from plant and algal biomass Int. J. Hydrogen Energy, 41, 17257 - 17273 (год публикации - 2016)
10.1016/j.ijhydene.2016.07.084

2. Цыганков А.А., Аллахвердиев С.И., Томо Т., Говинджи International conference on "Photosynthesis Research for Sustainability-2016" In honor of Nathan Nelson and Turhan Nejat Veziroglu Photosynth Res (год публикации - 2016)
10.1007/s11120-016-0311-5

3. Лю Дж., Ву Дж., Фанг Ф., Зорин Н.А., Чен М., Чан Д.Дж. Immobilization of hydrogenase on carbon nanotube polyelectrolytes as heterogeneous catalysts for electrocatalytic interconversion of protons and hydrogen J Nanopart Res, 18, 8, 220 (год публикации - 2016)
10.1007/s11051-016-3530-y

4. Ельцова З.А., Большаков М.А., Цыганков А.А. Effect of light intensity and various organic acids on the growth of Rhodobacter sphaeroides LHII-deficient mutant in a turbidostat culture. Photosynthesis Research (Springer), 130:307–316 (год публикации - 2016)
10.1007/s11120-016-0254-x

5. Наджафпур М.М., Салими С., Холинска М., Рахими Ф., Таваходи М., Томо Т., Аллахвердиев С. Nanostructured Mn Oxide/Carboxylic Acid or Amine Functionalized Carbon Nanotubes as Water-oxidizing Composites in Artificial Photosynthesis Photosynthesis: Structures, Mechanisms, and Application. Chapter 15 (год публикации - 2016)

6. Лауринавичене Т.В., Лауринавичюс К.С., Шастик Е.С., Цыганков А.А. Inhibited growth of Clostridium butyricum in efficient H2-producing co-culture with Rhodobacter sphaeroides Apl. Microbiol. Biotechnol., 100, 10649–10658 (год публикации - 2016)
10.1007/s00253-016-7977-7

Публикации

1. Татьяна Лауринавичене, Кестутис Лауринавичюс, Евгений Шастик, Анатолий Цыганков Long-term H2 photoproduction from starch by co-culture of Clostridium butyricum and Rhodobacter sphaeroides in a repeated batch process Biotechnology Letters (год публикации - 2017)
10.1007/s10529-017-2486-z

2. Харви Дж. М. Хоу, Тацуя Томо, Сулейман И. Аллахвердиев An introduction to the special issue section on "The 7th International Conference on Photosynthesis and Hydrogen Energy Production in Honor of Nathan Nelson and T. Nejat Veziroglu, 19-25 June 2016, Pushchino, Russia" International Journal of Hydrogen Energy, Volume 42, Issue 12, Pages 8410-8417 (год публикации - 2017)
10.1016/j.ijhydene.2016.11.052

3. Харви Дж.М. Хоу, Сулейман И. Аллахвердиев Preface to the special issue section on "The 7th International Conference on Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability in Honor of Nathan Nelson and T. Nejat Veziroglu, 19-25 June 2016, Pushchino, Russia" International Journal of Hydrogen Energy, 42(12):8408-8409 (год публикации - 2017)
10.1016/j.ijhydene.2017.02.179

4. Татьяна Лауринавичене, Дарья Текучева, Кестутис Лауринавичюс, Анатолий Цыганков Utilization of distillery wastewater for hydrogen production in one-stage and two-stage processes involving photofermentation Enzyme and Microbial Technology, 110; 1-7 (год публикации - 2018)
10.1016/j.enzmictec.2017.11.009

5. Тацуя Томо, Сулейман И. Аллахвердиев Preface: photosynthesis and hydrogen energy research for sustainability Photosynthesis Research (год публикации - 2017)
10.1007/s11120-017-0378-7

6. Е.П. Петушкова, А.А. Цыганков Метаболизм ацетата у пурпурной несерной бактерии Rhodobacter capsulatus Биохимия, том 82, вып. 5, с. 786 – 807 (год публикации - 2017)
10.1134/S0006297917050078