Исследование путей создания мимикрирующих фотосинтез биогибридных систем преобразования солнечной энергии в виды, используемые в экономике.

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 19-14-00118

НазваниеИсследование путей создания мимикрирующих фотосинтез биогибридных систем преобразования солнечной энергии в виды, используемые в экономике.

Руководитель Аллахвердиев Сулейман Ифхан-оглы, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Солнечная энергетика, фотосинтез, биогибридные системы, молекулярный водород, солнечная ячейка, электрический ток, металлсодержащие комплексы, окисление воды

Код ГРНТИ34.31.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Ограничения в запасах основного источника энергии, ископаемых видов топлива (которые, к сожалению, не возобновляемы), все возрастающие мировые потребности в энергии и климатические изменения на планете чрезвычайно повысили актуальность поиска экологически чистых и возобновляемых источников энергии. Среди возобновляемых источников энергии солнечная энергия все еще используется в недостаточной мере. Водород - один из наиболее перспективных видов топлива будущего. Как один из основных компонентов в структуре молекулы воды водород - это широко распространенный, имеющийся на нашей планете в избытке, возобновляемый источник энергии, не дающий при сгорании никаких загрязнений окружающей среды, выделяющий при сжигании большое количество энергии на единицу веса и который может быть легко преобразован в электричество с помощью топливных ячеек. Уникальность фотосистемы II (ФСII) заключается в том, что это единственный существующий в природе ферментный комплекс способный использовать энергию солнечного света для окисления воды до кислорода (О2), ионов водорода (протонов H+) и электронов. Для производства водорода с помощью искусственного фотосинтеза необходимы восстанавливающие эквиваленты и протоны. Вода единственный существующий в природе в неограниченных объемах возобновляемый источник электронов, уникальность которого заключается в том, что вода служит также неисчерпаемым, возобновляемым источником протонов. Если бы удалось достигнуть сопряжения этой реакции с реакцией восстановления протонов до водорода (H2), то, таким образом, удалось бы создать цикл производства уникального, совершенного, неограниченного в объемах производства, и незагрязняющего окружающую среду топлива. Целью данного проекта является поиск путей и получение экспериментальной научной информации о возможностях создания новых высокоэффективных нанобиомолекулярных устройств мимикрирующих природный фотосинтез для превращения солнечной энергии в энергию химических соединений (фотопроизводство водорода) и/или в электрическую энергию. Наиболее оригинальным положением данного проекта являются исследования, направленные на разработку новых полуискусственных нанобиомолекулярных устройств для превращения энергии света в энергию химических связей (восстановление протонов при производстве водорода) посредством модификаций донорной стороны (ВОК) ФСII и сопряжения акцепторной стороны с экзогенной гидрогеназой. Способность ФСII2 осуществлять разделение зарядов и перенос электрона с высокой эффективностью останется интактной. Донорная сторона ФСII будет модифицирована несколькими способами таким образом, что модифицированная ФСII сохранит способность осуществлять фотоокисление воды (отрыв электрона и протона от молекулы воды), но при этом не будет выделяться кислород. Мы предполагаем использовать полностью инновационный подход для исследования путей создания биогибридной системы генерации молекулярного водорода, который будет включать исследование возможностей получения в любых количествах от неиссякаемого источника электронов и протонов, воды: (1) “дешевых” (получаемых за счет энергии солнечного излучения) протонов; (2) “дешевых” электронов; и сопряжение модифицированной ФСII с экзогенной гидрогеназой. Мы надеемся в процессе выполнения предлагаемого проекта в относительно короткие сроки получить информацию, необходимую для разработки высокоэффективных молекулярных устройств, которые будут расцеплять воду и производить водород исключительно за счет энергии солнечного излучения. Такие усилия обеспечили бы человечество новыми альтернативами для использования солнечного излучения в качестве экологически безопасного источника энергии. Для проведения запланированных в предлагаемом проекте исследований необходима соответствующая финансовая поддержка.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Азади Г., Цанг Ц., Мусазаде Ю, Бакхери Р., Куи Дж., Сонг Ц., Бикас Р., Возняк К., Аллахвердиев С.И., Наджафпур М.М. A tetranuclear nickel(II) complex for water oxidation: Meeting new challenges. International Journal of Hydrogen Energy, 44(5):2857-2867 (год публикации - 2019)
10.1016/j.ijhydene.2018.12.059

2. Болатхан К., Коссалбаев Б.Д., Заядан Б.К., Томо Т, Везироглу Т.Н., Аллахвердиев С.И. Hydrogen production from phototrophic microorganisms: Reality and perspectives. International Journal of Hydrogen Energy, 44(12):5799-5811 (год публикации - 2019)
10.1016/j.ijhydene.2019.01.092

3. Садвакасова АК, Акмуханова НР, Болатхан К, Заядан БК, Усербаева АА, Бауенова ТО, Ахметкалиева АЕ, Аллахвердиев СИ Search for new strains of microalgae-producers of lipids from natural sources for biodiesel production. International Journal of Hydrogen Energy, 44(12):5844-5853. (год публикации - 2019)
10.1016/j.ijhydene.2019.01.093

4. Акбарян С, Компани-Зарех М, Наджафпур М.М., Томо Т, Аллахвердиев С.И. Unsupervised classification of PSII with and without water-oxidizing complex samples by PARAFAC resolution of excitation-emission fluorescence images. Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology, 195:58-66 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jphotobiol.2019.03.008

5. Мусазаде Ю., Наджафпур М.М., Багхери Р., Яглич Ц., Сингх Дж.П., Че К.Х., Сонг Ц., Родионова М.В., Волошин Р.А., Шен Дж.Р., Рамакришна С., Аллахвердиев С.И. A manganese(II) phthalocyanine under water-oxidation reaction: new findings Dalton Transactions, 48(32):12147-12158 (год публикации - 2019)
10.1039/C9DT01790A

6. Заядан Б., Лос Д., Т. Томо Т., Коссалбаев Б., Уссербаева А., Болатхан К., Аллахвердиев С. Perspectives of Cyanbacterial strains for biodiziel and biohydrogen production Abstracts of 10th International Conference Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability in honor of Kimiyuki Satoh, Tingyun Kuang,Cesare Marchetti, and Anthony Larkum”- June 23-28, 2019, Saint Petersburg, Russia, p. 172-173 (год публикации - 2019)

7. Волошин Р, Жармухамедов С, Аллахвердиев С.И. The interaction between various redox species, widely used in the study of photosynthesis Abstracts of 10th International Conference Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability in honor of Kimiyuki Satoh, Tingyun Kuang, Cesare Marchetti, and Anthony Larkum”- June 23-28, 2019, Saint Petersburg, Russia, p. 99 (год публикации - 2019)

8. Родионова МВ, Жармухамедов СК, Халилова ЛФ, Фейзиев ЯМ, Гусейнова ИМ, Аллахвердиев СИ Действие металлоорганических комплексов на основе ионов меди на флуоресценцию хлорофилла. Сборник Научных трудов VI Съезд биофизиков России (16-21.09.2019, г. Сочи), Краснодар: Издательство ООО Полиграфическое объединение «Плехановец», 2019., Т. 2, с. 72 (год публикации - 2019)
10.31429/SbR6.2019.001

9. Волошин РА, Жармухамедов СК, Аллахвердиев СИ Влияние осмолитов на фотосинтетический электронный транспорт и эффективность работы солнечных ячеек, сенсибилизированных тилакоидными мембранами. Тезисы докладов IX Съезда общества физиологов растений России «Физиология растений – основа создания растений будущего» Казань, 19-21 сентября 2019г., стр. 103 (год публикации - 2019)

10. М.В. Родионова, С.К. Жармухамедов, Л.Ф. Халилова, Я.М. Фейзиев, И.М. Гусейнова, С.И. Аллахвердиев Механизм ингибирования глутатионредуктазы дрожжей новыми металлорганическими комплексами на основе ионов меди. Научные труды II объединенного научного форума (VI съезд физиологов СНГ, VI съезд биохимиков России, IX Российский симпозиум «белки и пептиды»), Сочи-Дагомыс, Россия, 1-6 октября 2019. ACTA NATURE, Спецвыпуск, том 2, стр.136 (год публикации - 2019)

11. Р.А.Волошин Н.Г. Брейди С.К. Жармухамедов Ю.М. Фейзиев, И.М. Гусейнова, М.М. Наджафпур, Ж.Р. Шен, Т.Н. Везироглу, Б.Д. Брюс, С.И. Аллахвердиев Influence of osmolytes on the stability of thylakoid‐based dye‐sensitized solar cells. International Journal of Energy Research, 43(14): 8878-8889. (год публикации - 2019)
10.1002/er.4866

12. Садвакасова А.К., Коссалбаев В.Д., Заядан В.К., Болатхан К., Алвасел С., Нажафпоур М.М., Томо Т., Аллахвердиев С.И. Bioprocesses of hydrogen production by cyanobacteria cells and possible ways to increase their productivity Renewable and Sustainable Energy Reviews, V. 133, Article 110054 (год публикации - 2020)
10.1016/j.rser.2020.110054

13. Калантарифар С., Аллахвердиев С.И., Нажафпоур М.М. Water oxidation by a nickel complex: New challenges and an alternative mechanism International Journal of Hydrogen Energy, V. 45. Issue 58, P. 33563-33573 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijhydene.2020.09.111

14. Хосрави М., Фейзи Х., Хагиги Б., Аллахвердиев С.И., Наджафпур М.М. Photoelectrochemistry of manganese oxide/mixed phase titanium oxide heterojunction New Journal of Chemistry, V. 44, Issue 8, P. 3514-3523 (год публикации - 2020)
10.1039/C9NJ06265C

15. Болатхан К., Садвакасова А.К., Заядан В.К., Какимова А.В., Сарсекеева Ф.К., Коссалбаев В.Д., Бозиева А.М., Алвасел С., Аллахвердиев С.И. Prospects for the creation of a waste-free technology for wastewater treatment and utilization of carbon dioxide based on cyanobacteria for biodiesel production Journal of Biotechnology, V. 324, P. 162-170 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jbiotec.2020.10.010

16. Косалбаев Б.Д., Томо Т., Болатхан К.Заядан Б.К., Садвакасова А.К., Болатхан К., Альвасель С., Аллахвердиев С.И. Determination of the potential of cyanobacterial strains for hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy, V. 45. Issue 4, P. 2627-2639 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijhydene.2019.11.164

17. Мехрабани С., Бикас Р., Занд З., Мусазаде Ю., Аллахвердиев С.И., Наджафпур М.М. Water splitting by a pentanuclear iron complex International Journal of Hydrogen Energy, V. 45, Issue 35, P. 17434-17443 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijhydene.2020.04.249

18. Мададхани С., Аллахвердиев С.И., Наджафпур М.М. An iridium-based nanocomposite prepared from an iridium complex with a hydrocarbon-based ligand New Journal of Chemistry, V. 44, Issue 36, P. 15636-15645 (год публикации - 2020)
10.1039/D0NJ02257H

19. Сафдари Т., Акбари Н., Вализаде А., Багери Р., Сонг З., Аллахвердиев С.И., Наджафпур М.М. Iron-nickel oxide: a promising strategy for water-oxidation New Journal of Chemistry, V. 44, Issue 4, P. 1517-1523 (год публикации - 2020)
10.1039/C9NJ05644K

20. Наджафпур М.М., Захариева И., Занд З., Хоссейни С.М., Кузманова М., Голынска М., Транца И., Ларкум А.В., Шен Дж.Р., Аллахвердиев С.И. Water-oxidizing complex in Photosystem II: Its structure and relation to manganese-oxide based catalysts Coordination Chemistry Reviews, V. 409, Article 213183 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ccr.2020.213183

21. Халилова Л., Родионова М.В., Карачан М.С., Карачан Н., Алвасел С., Креславский В.Д., Жармухамедов С.К., Аллахвердиев С.И. The inhibitory effect of new antimony(III)-based organometallic complexes on the photochemical activity of photosystem II and the activity of chloroplast carbonic anhydrase and glutathione reductase Nanotechnologies in Russia, V. 15, № 1, P.90-95 (год публикации - 2020)
10.1134/S1995078020010140

22. Хосрави М., Фейзы Х., Нагнигни В., Аллахвердиев С.И., Нажафпоур М.М. Investigation of photo-electrochemical response of iron oxide/mixed-phase titanium oxide heterojunction toward possible solar energy conversion International Journal of Hydrogen Energy, 46(10):7241-7253 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijhydene.2020.11.247

23. Вализаде А., Бикас Р., Алешкевич П., Козакевич А., Аллахвердиев С.И., Наджафпур М.М. A dinuclear iron complex as a precatalyst for water oxidation under alkaline conditions International Journal of Hydrogen Energy, 46(58):29896-29904 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijhydene.2021.06.123

24. Амузад С., Хосрави М., Монады Н., Нагнигни В., Аллахвердиев С.И., Нажафпоур М.М. Photo-electrochemistry of metallic titanium/mixed phase titanium oxide International Journal of Hydrogen Energy, 46(37):19433-19445 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijhydene.2021.03.106

25. Абди З., Вандичел М., Сологубенко А.С., Виллингер М.-Г., Шен Ж.-Р., Аллахвердиев С.И., Нажафпоур М.М. The importance of identifying true catalyst to use Randles-Sevcik equation to calculate turnover Frequency International Journal of Hydrogen Energy, 46(76):37774-37781 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijhydene.2021.09.039

26. Абди З., Балаги С.Е., Сологубенко А.С., Виллингер М.-Г., Вандичел М., Шен Ж.-Р., Аллахвердиев С.И., Пацке Г.Р., Наджафпур М.М. Understanding the Dynamics of Molecular Water Oxidation Catalysts with Liquid-Phase Transmission Electron Microscopy: The Case of Vitamin B12 ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 9(28):9494-9505 (год публикации - 2021)
10.1021/acssuschemeng.1c03539

27. Садвакасова А.К., Коссалбаев В.Д., Заядан В.К., Кирбаева Д.К., Алвасел С., Аллахвердиев С.И. Potential of cyanobacteria in the conversion of wastewater to biofuels World Journal of Microbiology and Biotechnology, 37, Article number:140 (год публикации - 2021)
10.1007/s11274-021-03107-1

28. Като К., Шинода Т., Нагао Р., Акита Ф., Миязаки М., Шен Д-Р., Томо Т., Аллахвердиев С.И. Роль хлорофилла f в фотосистеме I для адаптации к условиям освещения дальним красным светом. The role of chlorophyll f in photosystem I for adaptation to far-red light conditions Материалы съезда "IX Съезд Российского фотобиологического общества. Всероссийская конференция “Современные проблемы фотобиологии”, пос. Шепси, 12-19 сентября 2021 г. Типография "Пятый формат" г. Серпухов, стр. 24 (год публикации - 2021)

29. Волошин Р., Шумилова С., Жармухамедов С., Аллахвердиев С. Первичные процессы природного и искусственного фотосинтеза при разных температурах в присутствии осмолитов. Primary processes of natural and artificial photosynthesis at different temperatures in the presence of osmolytes Материалы съезда "IX Съезд Российского фотобиологического общества. Всероссийская конференция “Современные проблемы фотобиологии”, пос. Шепси, 12-19 сентября 2021 г. Типография "Пятый формат" г. Серпухов, стр. 31 (год публикации - 2021)

30. Родионова М., Халилова Л., Жармухамедов С., Караджан М., Караджан Н., Креславский Вл., Алвасел С., Аллахвердиев С. Синтетические металлоорганические комплексы на основе двухвалентной меди ингибируют фотохимическую активность фотосистемы 2 на уровне реакционного центра Материалы съезда "IX Съезд Российского фотобиологического общества. Всероссийская конференция “Современные проблемы фотобиологии”, пос. Шепси, 12-19 сентября 2021 г. Типография "Пятый формат" г. Серпухов, стр. 62 (год публикации - 2021)

31. Козлова Т., Волошин Р., Левин Д.В., Аллахвердиев С. Физиологическое воздействие фитогормонов и стероидов рыб на показатели роста, биосинтеза и накопления вторичных метаболитов зеленых водорослей: транскрипционный анализ метаболизма липидов и многофакторный статистический анализ индукции Материалы съезда "IX Съезд Российского фотобиологического общества. Всероссийская конференция “Современные проблемы фотобиологии”, пос. Шепси, 12-19 сентября 2021 г. Типография "Пятый формат" г. Серпухов, стр. 127 (год публикации - 2021)

32. Бозиева А., Синетова М., Куприянова Е., Жармухамедов С., Аллахвердиев С. Поиск фототрофных микроорганизмов, перспективных для получения биотоплива. Search for phototrophic microorganisms promising for biofuel production Материалы съезда "IX Съезд Российского фотобиологического общества. Всероссийская конференция “Современные проблемы фотобиологии”, пос. Шепси, 12-19 сентября 2021 г. Типография "Пятый формат" г. Серпухов, стр. 140 (год публикации - 2021)

33. Родионова М.В., Халилова Л., Жармухамедов С.К., Караджан М., Караджан Н., Креславский В.Д., Алвасел С., Аллахвердиев С.И. Синтетические металлоорганические комплексы ингибируют фотохимическую активность фотосистемы 2 и активность карбоангидразы и глутатионредуктазы хлоропластов Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, школы для молодых ученых «Экспериментальная биология растений и биотехнология: история и взгляд в будущее». Москва, 27 сентября - 1 октября 2021г. ИФР РАН, Стр. 206 (год публикации - 2021)

34. Волошин Р.А., Жармухамедов С.К., Аллахвердиев С.И. Солнечные ячейки на основе тилакоидных мембран: эффект осмолитов Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, школы для молодых ученых «Экспериментальная биология растений и биотехнология: история и взгляд в будущее». Москва, 27 сентября - 1 октября 2021г. ИФР РАН, Стр. 210 (год публикации - 2021)

35. Волошин Р.А., Шумилова С.М., Жармухамедов С.К., Аллахвердиев С.И. Генерация фототока за счет работы фотосистем 1 и 2. Тезисы докладов 74-й Всероссийской с международным участием школы-конференции молодых ученых, посвященной памяти проф. А.П. Веселова "Биосистемы: организация, поведение, управление" (Н.Новгород, 20–23 апреля 2021 г.). Н.Новгород, Университет Лобачевского, Стр. 51 (год публикации - 2021)

36. Родионова М.В., Жармухамедов С.К., Аллахвердиев С.И. Металлоорганические комплексы меди(ii) эффективно ингибируют активность карбоангидразы и глутатионредуктазы Тезисы докладов 74-й Всероссийской с международным участием школы-конференции молодых ученых, посвященной памяти проф. А.П. Веселова "Биосистемы: организация, поведение, управление" (Н.Новгород, 20–23 апреля 2021 г.). Н.Новгород, Университет Лобачевского, Стр. 186 (год публикации - 2021)

37. Бозиева А.М., Синетова М.А., Куприянова Е.В., Габриелян Д.А., Волошин Р.А., Стариков А.Ю., Жармухамедов С.К., Аллахвердиев С.И. Исследование физиологических особенностей малоизученных штаммов цианобактерий - потенциальных продуцентов фотоводорода Тезисы докладов 74-й Всероссийской с международным участием школы-конференции молодых ученых, посвященной памяти проф. А.П. Веселова "Биосистемы: организация, поведение, управление" (Н.Новгород, 20–23 апреля 2021 г.)., Стр. 36 (год публикации - 2021)

Публикации