© 2026 Лаборатория биотехнологии и физиологии фототрофных организмов

Альгофизиология и биотехнология микроводорослей

Научная группа направления

Гречаник Вера Игоревна

Соколов Иван Андреевич
Магистрант

Цыганков Анатолий Анатольевич

Направление объединяет исследования фундаментальных и прикладных аспектов физиологии фототрофных микроорганизмов, а также разработку подходов к использованию их фотосинтетического потенциала в биотехнологических системах. Основное внимание уделяется изучению адаптации микроводорослей и цианобактерий к недостатку элементов минерального питания, анализу состояния фотосистемы 2 и выявлению условий, определяющих формирование устойчивых физиологических состояний, приводящих к выделению водорода. На модельных объектах Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella sp., Anabaena sp. PCC 7120 ΔHup и др. исследуются закономерности регуляции фотосинтеза, переход культур к аноксии, а также возможности использования лабораторных и внелабораторных фотобиореакторных систем. Полученные результаты создают основу для дальнейшего развития методов мониторинга состояния культур, оптимизации условий культивирования и совершенствования фотобиологических процессов, связанных с выделением водорода.

Ключевые задачи:

  1. Изучение закономерностей адаптации фототрофных микроорганизмов к недостатку серы, фосфора, азота и углерода.
  2. Анализ механизмов регуляции фотосистемы 2 и фотосинтетического аппарата в стрессовых условиях.
  3. Выявление условий, способствующих переходу культур к аноксии и выделению водорода.
  4. Разработка подходов к культивированию, мониторингу и использованию фотобиореакторных систем для исследования и управления процессами выделения водорода.
  5. Оценка перспектив использования микроводорослей, цианобактерий и динофлагеллят в фундаментальных и прикладных биотехнологических исследованиях

Ключевые слова:фототрофные микроорганизмы; микроводоросли; цианобактерии; Chlamydomonas reinhardtii; Chlorella sp.; Anabaena sp. PCC 7120 ΔHup; фотосистема 2; аноксия; выделение водорода; фотобиореактор.

Объекты/штаммы

Chlamydomonas reinhardtii
Отдел Chlorophyta

Chlorella sp.
Отдел Chlorophyta

Anabaena sp. PCC 7120 ΔHup
и их мутантные формы dc-Q193S и dc-R284H.
Отдел Cyanobacteria

Методические разработки

  1. Метод «разведения» культур для получения голодающих по элементам питания микроводорослей.
  2. Сопряжение автоматизированного фотобиореактора и PAM-флуориметра.
  3. Использование JIP-теста для анализа стресс-адаптации ФС2 у микроводорослей.
  4. Режимы фотоавтотрофного выделения водорода при дефиците серы, азота и углерода.
  5. Подходы к получению P-дефицитных культур пресноводных и морских микроводорослей.
  6. Иммобилизация микроводорослей на различных носителях.
  7. Простейшие пластиковые фотобиореакторы для внелабораторного получения водорода цианобактериями.
  8. Расчеты материально-энергетического баланса интегрированных систем.

Ключевые результаты и вклад

  1. Впервые детально изучены стадии адаптации микроводорослей к серному голоданию, сопровождающиеся выделением водорода. Показано, что на разных стадиях адаптации вклад в процесс могут вносить как прямой, так и непрямой биофотолиз воды.
    Значимость: сформировано целостное представление о переходе фотосинтетической культуры к водородной фазе.
  2. Впервые показано, что выделение водорода при недостатке серы возможно и в фотоавтотрофных условиях, то есть в режиме, где процесс способен запасать энергию света.
    Значимость: расширены представления о возможностях прямого светозависимого получения H2 микроводорослями.
  3. Впервые показано, что выделение водорода возможно и при недостатке фосфора; для Chlamydomonas reinhardtii и морской Chlorella sp. разработаны подходы к получению P-дефицитных культур, а для морской микроводоросли показано значительное выделение водорода как в искусственной морской воде, так и в воде Черного моря; добавление CO2 увеличивало выходы H2.
    Значимость: открыта перспектива использования морских микроводорослей и морской воды в биоводородных технологиях.
  4. Для Chlamydomonas reinhardtii показано, что выделение водорода возможно не только при серном и фосфорном дефиците, но и при недостатке азота и углерода; вместе с тем выраженность ответа зависит от светового режима и степени подавления фотосинтетической активности. Ключевым механизмом, обеспечивающим выделение водорода при недостатке серы или азота, признано перевосстановление пула пластохинонов; другие механизмы играют вспомогательную роль.
  5. В регуляции фотосистемы 2 при недостатке элементов питания показано участие нескольких механизмов: перевосстановления пула пластохинонов, разобщения водоокисляющего комплекса и реакционного центра ФС2, участия аскорбата в доноровании электронов, ксантофилльного цикла, нефотохимического тушения и изменений в антенном аппарате.
    Значимость: получена многоуровневая модель стресс-регуляции фотосинтеза у микроводорослей.
  6. Показано, что иммобилизация микроводорослей на прозрачных носителях, таких как пористое стекло и стеклоткань, при недостатке серы повышает скорость выделения водорода, его стабильность и длительность.
    Значимость: предложен эффективный биотехнологический подход к интенсификации фотобиологического получения H2.
  7. Для выполнения этих работ впервые было произведено сопряжение автоматизированного фотобиореактора и PAM-флуориметра.
    Значимость: создана инструментальная база для непрерывного мониторинга физиологического состояния культур и прогнозирования перехода к водородной фазе.
  8. Для получения культур, голодающих по элементам питания, разработан и применен метод «разведения» культур.
    Значимость: обеспечена воспроизводимость стрессовых состояний и последующих физиологических экспериментов.
  9. Для Anabaena sp. PCC 7120 ΔHup и мутантов dc-Q193S и dc-R284H показано, что мутации вблизи активного центра нитрогеназы устраняют ингибирование выделения H2 молекулярным азотом, однако сопровождаются снижением фотосинтетической и нитрогеназной активности и большей хрупкостью филаментов. Для родительского штамма подтверждена возможность выделения водорода во внешних условиях в простейших фотобиореакторах-пакетах; максимальная скорость достигала 20,6 мл день⁻¹ л⁻¹ культуры, а в интегрированной трехстадийной системе рассчитанная эффективность преобразования световой энергии в энергию H2 составила 0,55%.
    Значимость: показаны реальные достоинства и ограничения цианобактериального и интегрированного направлений биоводородных технологий.

Защищённые диссертации по тематике

  1. Толстыгина Ирина Викторовна (2007)
    Специальность 03.00.12 — Биохимия и физиология растений
    Диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук
    Тема: Выделение водорода Chlamydomonas reinhardtii в условиях недостатка серы
    Научный руководитель: Цыганков Анатолий Анатольевич, д.б.н.
  2. Батырова Хорческа Александровна (2015)
    Специальность 03.00.12 — Биохимия и физиология растений
    Диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук
    Тема: Выделение водорода зелеными микроводорослями в условиях недостатка фосфора
    Научный руководитель: Цыганков Анатолий Анатольевич, д.б.н.
  3. Романова Анастасия Игоревна (2022)
    Специальность 1.5.21 — Физиология и биохимия растений
    Диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук
    Тема: Запасание энергии света в энергоносителе (водород) фотосинтезирующими микроорганизмами и эффективность процесса
    Научный руководитель: Цыганков Анатолий Анатольевич, д.б.н., Косоуров Сергей Николаевич, к.б.н.
  4. Гречаник Вера Игоревна (2026)
    Специальность 1.5.21 — Физиология и биохимия растений
    Диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук
    Тема: Адаптация микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii к недостатку элементов питания в аэробных и анаэробных условиях
    Научный руководитель: Цыганков Анатолий Анатольевич, д.б.н.

Публикации по направлению

  1. Grechanik V., Naidov I., Bolshakov M., Tsygankov A. Photoautotrophic hydrogen production by nitrogen-deprived Chlamydomonas reinhardtii cultures. International Journal of Hydrogen Energy. 2021;46(5):3565-3575. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.10.215.
  2. Grechanik V., Romanova A., Naydov I., Tsygankov A. Photoautotrophic cultures of Chlamydomonas reinhardtii: sulfur deficiency, anoxia, and hydrogen production. Photosynthesis Research. 2020;143(3):275-286. DOI: https://doi.org/10.1007/s11120-019-00701-1
  3. Grechanik V.I., Bol’shakov M.A., Tsygankov A.A. Hydrogen Production by CO2 Deprived Photoautotrophic Chlamydomonas reinhardtii Cultures. Biochemistry (Moscow). 2022;87(10):1098-1108. https://doi.org/10.1134/S0006297922100030.
  4. Grechanik V.I., Tsygankov A.A. The relationship between photosystem II regulation and light-dependent hydrogen production by microalgae. Biophysical Reviews. 2022;14:893-904.
    https://doi.org/10.1007/s12551-022-00977-z.
  5. Grechanik V.I., Bol’shakov M.A., Tsygankov A.A. Relationship between the Photosystem II Regulation Mechanisms and Hydrogen Production in Chlamydomonas reinhardtii under Nitrogen or Sulfur Deprivation. Biochemistry (Moscow). 2025;90(7):921-933.
    https://doi.org/10.1134/S0006297925600929.
  6. Batyrova K.A., Tsygankov A.A., Kosourov S.N. Sustained hydrogen photoproduction by phosphorus-deprived Chlamydomonas reinhardtii cultures. International Journal of Hydrogen Energy. 2012;37(10):8834-8839. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.01.068.
  7. Batyrova K., Gavrisheva A., Ivanova E., Liu J., Tsygankov A. Sustainable Hydrogen Photoproduction by Phosphorus-Deprived Marine Green Microalgae Chlorella sp. International Journal of Molecular Sciences. 2015;16(2):2705-2716.
    https://doi.org/10.3390/ijms16022705
  8. 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 biological H2 production. Biofuel Research Journal. 2015;2(4):324-330.
    https://doi.org/10.18331/BRJ2015.2.4.7
  9. Романова А.И., Лауринавичене Т.В., Цыганков А.А. Особенности мутантов Anabaena PCC 7120ΔHup с аминокислотными заменами в нитрогеназе. Физиология растений. 2020;67(2):214-224. https://doi.org/10.31857/S0015330320010169.
  10. Shastik E., Romanova A., Laurinavichene T., Petushkova E., Sakurai H., Tsygankov A.A. Plastic bags as simple photobioreactors for cyanobacterial hydrogen production outdoors in Moscow region. International Journal of Energy and Environmental Engineering. 2020;11(1):1-8.
    https://doi.org/10.1007/s40095-019-00325-0.

© 2026 Лаборатория биотехнологии и физиологии фототрофных организмов. Created with ❤ using WordPress and Kubio