在NaHSO3背景下pH依赖的莱茵衣藻光合产氢的功能机理研究

• 作 者: 谢天群
• 出 处: 上海师范大学
• 发表日期: 2020年07期
• 关键词: pH 亚硫酸盐 亚硫酸氢盐 光合产氢 衣藻

莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）是一种单细胞绿藻,因为它的铁铁氢化酶比其它微生物中的镍铁氢化酶表现出更高的活性,被认为是研究微藻光合产氢的模式生物。然而,在自然条件下莱茵衣藻仅能在厌氧条件下产生氢气,因为所有类型的氢化酶对氧气极为敏感,遇氧即失活。因此,必须要降低细胞内的氧气含量,从而激活氢酶才能得以实现衣藻高效可持续产氢。这一策略目前成为了人们研究莱茵衣藻光合产氢的重要手段之一。当用13mM的NaHSO₃处理莱茵衣藻细胞时,可以显著降低细胞内的氧气含量而激活氢化酶的表达,实现提高产氢量高达200多倍。进一步研究发现,在足够的光照条件下,加入的亚硫酸氢盐与细胞内的超氧阴离子发生反应,间接地降低了细胞内的氧气含量,从而来激活氢化酶的活性。另外,大量的研究表明,藻液pH值不仅对细胞生长和代谢反应有一定的影响,而且还影响着微藻光合产氢效率。但是在NaHSO₃的背景下改变藻液的pH值是否也会影响衣藻的光合产氢尚不清楚,因此,本论文将研究在添加NaHSO₃的背景下,测试通过改变藻液初始pH值能否进一步优化莱茵衣藻的光合产氢速率。实验结果表明,添加NaHSO₃后在不同初始pH值条件下莱茵衣藻的光合产氢速率呈抛物线型分布,并且在pH为8.0时的衣藻光合产氢速率达到最大值。我们还发现,与生长条件下pH为7.3相比,pH8.0下衣藻的高光合产氢速率主要由于相对高的光系统II（PSII）剩余活性导致的。进一步研究结果显示,衣藻高光合产氢效率与交替电子传递（围绕PSI的环式电子传递和碳同化）活性无关。此外,我们注意到SO₂的衍生物至少包括亚硫酸氢盐（NaHSO₃）和亚硫酸盐（Na₂SO₃）,并且pH值可以改变溶液中亚硫酸氢盐和亚硫酸盐的相对比例。值得注意的是,有研究表明亚硫酸氢盐对藻类细胞生长的毒性远远大于亚硫酸盐。于是我们猜测在pH8.0下增加衣藻光合产氢可能是降低亚硫酸氢盐与亚硫酸盐比例、改善PSII活性的结果。我们的实验结果证实了这一猜想。与单独添加13mM亚硫酸氢盐相比,添加7mM亚硫酸氢盐和6mM亚硫酸盐的组合可以进一步提高衣藻光合产氢的效率。这与亚硫酸氢盐对PSII的毒性远大于亚硫酸盐的结果是一致的。综上所述,本研究发现了衣藻在添加NaHSO₃的背景下,可以通过改变藻液的初始pH值来进一步优化衣藻的光合产氢速率,并且在pH值为8.0时,光合产氢速率达到最大。其原因很可能是相对在生长pH7.3,在最佳pH8.0会降低亚硫酸氢盐和亚硫酸盐的比例,降低亚硫酸氢盐对衣藻PSII的毒性变弱,为氢化酶提供了丰富的电子源,最终可大幅度地提高了衣藻的光合产氢水平。因此,在NaHSO₃的背景下,改变藻液pH可降低亚硫酸氢盐比例是进一步优化衣藻光合产氢的重要策略。