Влияние солёности воды на структуру и метаболизм диатомовых водорослей

Учёные выяснили, что повышение солёности воды в клетках морской диатомеи Nitzschia ослабляет связи между компонентами фотосинтетического аппарата и нарушает формирование клеточной оболочки.

Для отслеживания этих изменений авторы использовали широкий спектр современных фотонных методов, дающих комплексную информацию о состоянии и функциональных свойствах диатомей.

Роль диатомей и их применение

Диатомовые водоросли — одноклеточные микроорганизмы, играющие ключевую роль в водных сообществах: они связывают около 20% углекислого газа планеты, формируют основу морских пищевых цепей и накапливают соединения кремния — основной компонент их панцирей (фрустул). Благодаря ценным кремнезёмным панцирям диатомеи широко используются в пищевой промышленности, очистке воды, а диатомит (ископаемые остатки панцирей) — как природный сорбент в системах фильтрации.

Исследование адаптации к солёности

Исследователи из Сколковского института науки и технологий и других российских научных центров изучили, как диатомея Nitzschia адаптируется к изменению солёности в диапазоне от 10 до 150‰ (для сравнения: солёность Красного моря — ~41‰). Такой диапазон позволил смоделировать стрессовые условия для водорослей.

Ключевые методы и результаты

Впервые для изучения диатомей были применены:

• Лазерная сканирующая микроскопия: показала, что при стрессовой солёности (10‰ или 150‰) в клетках образуются более крупные липидные капли (до 2.3 микрон против ~1 микрона при 40‰). Эти капли запасают углерод, энергию и жирные кислоты, а при высокой солёности помогают сохранить целостность мембраны.
• Методы флуоресценции с временным разрешением: выявили, что при 80‰ передача энергии и электронов между компонентами фотосистемы замедляется сильнее всего из-за больших потерь энергии на флуоресценцию и тепло.
• Фотоакустическая визуализация: показала, что с ростом солёности пигменты диатомей активнее поглощают свет и преобразуют его энергию в ультразвуковые колебания.
• Просвечивающая электронная микроскопия: обнаружила, что солёность влияет на структуру полисахаридного слоя между фрустулой и клеточной мембраной. Этот слой максимален при 60‰ и почти не виден при 20‰.

Наибольшие аномалии в структуре панциря также наблюдались при солёности 60‰.

Значение исследования

Как отметил руководитель проекта, профессор Дмитрий Горин, понимание влияния солёности на диатомеи поможет подбирать оптимальные условия для их выращивания в биореакторах с целью производства:

• биогенного нано- и микроструктурированного кремнезёма,
• биоактивных соединений,
• биотоплива.

Кроме того, диатомеи могут служить индикаторами изменения солёности воды и биосенсорами для мониторинга влияния климатических изменений на морское биоразнообразие.

Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.