Движение водорослей под действием света поможет улучшить дизайн фотобиореакторов

Ученые из Университета Байройта и Института динамики и самоорганизации им. Макса Планка в Гёттингене исследовали модели движения одноклеточных зеленых водорослей, производящих водород, при разной интенсивности света. Их результаты помогут оптимизировать использование этих микроорганизмов в биотехнологических приложениях, например, для производства возобновляемых источников энергии.

Исследование опубликовано в PNAS.

Фотосинтезирующие микроорганизмы используют свет как источник энергии и действуют как живые мини-фабрики, производя кислород и запасая углерод, преобразуя солнечный свет в химическую энергию. Помимо экологической роли в качестве поглотителей углерода, эти микроорганизмы также важны для устойчивых технологий в климатически нейтральной промышленности.

Их используют, например, в фотобиореакторах для направленного производства химических соединений для возобновляемого биотоплива и водорода для топливных элементов. Однако условия окружающей среды влияют на подвижность отдельных микроорганизмов, что, в свою очередь, сказывается на движении всей популяции. Лучшее понимание этих моделей движения поможет улучшить конструкцию эффективных фотобиореакторов.

Фотосинтезирующие микроорганизмы, такие как одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas, — настоящие мастера адаптации. В отсутствие света и кислорода метаболизм этой водоросли переключается в режим экономии энергии, при котором побочным продуктом является молекулярный водород.

Интенсивность света напрямую регулирует подвижность отдельных клеток: чем выше интенсивность света, тем быстрее клетки движутся в воде; чем слабее свет, тем медленнее они плавают. Это демонстрирует прямую корреляцию между интенсивностью света и скоростью плавания.

Однако до сих пор не было известно, как индивидуальное движение влияет на коллективное поведение всей популяции одноклеточных организмов.

Исследователи под руководством профессора д-ра Оливера Боймхена, заведующего кафедрой экспериментальной физики V в Университете Байройта, изучили движение отдельных клеток Chlamydomonas и их влияние на так называемую суспензию Chlamydomonas — микробное сообщество, плавающее в водной среде.

Их исследование показало, что клетки Chlamydomonas с большей вероятностью находятся у поверхности воды при высокой интенсивности света, а не на большей глубине.

«Это поведение обусловлено тенденцией микроорганизмов двигаться против силы тяжести. В естественном водоеме это дает эволюционное преимущество, поскольку одноклеточные организмы у поверхности имеют лучший доступ к свету, чем те, что находятся на большей глубине», — объясняет Боймхен.

Кроме того, исследовательская группа обнаружила, что по мере снижения фотосинтетической активности и, следовательно, подвижности отдельных клеток, в сообществе возникают направленные потоки. Эта коллективная подвижность проявляется в виде регулярной трехмерной картины течения, в которой скорость потока и распределение клеток напрямую контролируются интенсивностью света.

«Эти потоки возникают в крайне неблагоприятных условиях одновременного недостатка света и кислорода и потенциально могут помочь микробному сообществу расширить исследование своей естественной среды обитания в поисках лучших условий», — говорит Боймхен.