Оптические методы для мониторинга роста диатомовых водорослей и их активности в связывании диоксида углерода

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 22-14-00209

НазваниеОптические методы для мониторинга роста диатомовых водорослей и их активности в связывании диоксида углерода

Руководитель Горин Дмитрий Александрович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые слова диатомовые водоросли, культивирование, диоксид углерода, оптоакустика, флуоресценция, фотометрия, экстинкция, мониторинг роста, биомасса, фотосинтез, наноструктурированный диоксид кремния, бионика

Код ГРНТИ29.31.26

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Связывание газообразного диоксида углерода с помощью природоподобных технологий и, в частности, аквакультуры, имеет огромное значение для достижения нетто-нулевой эмиссии данного парникового в борьбе с отрицательными последствиями планетарного изменения климата. Диатомовые микроорганизмы особенно привлекательны для развития таких технологий, так как: - относятся к одним из основных фотосинтезаторов в мировом океане и обеспечивают производство до 20 % кислорода на планете Земля и связывают до 40 % СО2 в мировом океане; - исключительно разнообразны, а ряд видов особо эффективно связывают СО2 в холодных водах при минимальной освещенности (условия на большей части территории и Арктической зоны РФ); - могут успешно воспроизводиться в биореакторах по масштабируемым технологиям аквакультуры; - помимо функции связывания СО2 служат источником ценных возобновляемых ресурсов – сложных биоорганических соединений (липидов, омега-3 кислот, пигментов и др.), которые перспективно использовать в качестве пищевых добавок для животных и человека; - экзоскелет диатомовых водорослей представляет собой высокопористый наноструктурированный кремнезём, оптические и механические свойства которых могут быть использованы для разнообразных технических применений, включая создание новых композитных материалов с заданными оптическими и механическими свойствами, а также использование биомиметического подхода для создания высокочувствительных оптических и акустических датчиков на основе планарных технологий. Предлагаемый междисциплинарный проект направлен на разработку научных основ и технологического обеспечения масштабируемых природоподобных технологий связывания СО2 с помощью диатомовых водорослей и их синергетического использования для получения ценного возобновляемого сырья для ряда технических применений - функциональных наноструктурированных материалов и изделий из них. Следовательно, необходимо провести фундаментальные исследования научно-методических основ аквакультуры для получения биоминерализованных наноструктурированных объектов, а также разработать материаловедческие подходы к созданию из таких объектов готовых элементов для тонкой фильтрации, управляемой адсорбции и катализа, а также элементов оптических и акустических сенсоров. Так как основной целью данного проекта является разработка технологии переработки диоксида углерода с помощью диатомовых водорослей и их использования для получения сырья для ряда промышленных применений, необходимо глубоко изучить особенности поглощения CO2, а также связь с кинетикой роста диатомовых колоний. Для решения задач проекта заявители используют существующие и разрабатывают новые методики культивации монокультур пресноводных пеннатных и морских центрических диатомей в специально созданной установке, для чего осуществляют контроль состояния отдельных микроорганизмов в контрольных пробах с помощью спектрофотометрии, оптической и электронной микроскопии, а также контроль состояния целых колоний с помощью оптоакустической и флуоресцентной визуализации, благодаря наличию большого количества хромофоров внутри диатомовых клеток. В рамках проекта будут проведены эксперименты по степени усвоения СО2 культивируемыми диатомовыми водорослями и подобраны оптимальные концентрации углекислого газа для получения большого количества биомассы и, соответственно, множества ценных соединений. Кроме того, в процессе очистки органических компонентов будут получены кремнеземные панцири, которые можно использовать в различных применениях, в т. ч. в качестве наполнителей фильтрующих устройств, композитов и т. д. Актуальность проекта связана с необходимостью наличия технологий обеспечивающих эффективную экстракцию диоксида углерода, например с помощью устройств обеспечивающих оптимальные условия для роста диатомовых водорослей, создание которых требует наличия методов эффективного мониторинга роста водорослей, а также контроля управления параметрами влияющих на их рост. Научная новизна проекта определяется прежде всего совокупностью оптических методов, которые предполагается использовать для мониторинга роста водорослей, в частности оптоакустика, флуоресценция фотометрия. Оптоакустический метод является чрезвычайно перспективным для мониторинга водорослей в водоемах. Кроме того в проекте предполагается задействовать специалистов в области изучения оптических и механических свойств наноструктурированных материалов, поскольку панцири диатомовых водорослей представляют собой наноструктурированные и высокопористые микрообъекты из диоксида кремния. Полученные данные о механических и оптических свойствах таких объектов дадут возможность найти новые применения таким системам, в частности для создания новых материалов и устройств. Инструменты мониторинга роста водорослей в совокупности с варьированием параметров влияющих на рост и интенсивность экстракции СО2 (температура, освещение и т.д.) для получения максимальной биомассы обеспечивают высокую научную и практическую значимость планируемых исследований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кузин А.Ю., Чернышев В.С., Ковалюк В.В., Ан П.П., Голиков А.Д., Гольцман Г.Н, Горин Д.А. In situ monitoring of layer-by-layer assembly surface modification of nanophotonic-microfluidic sensor Analytical Chemistry, 94 (42), 14517-14521 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.analchem.2c03909

2. Салимон А.И., Цветинович Ю., Кан Ю., Статник Е.С., Аггрей П., Сомов П.А., Салимон И.А., Эвераетс Дж., Бедошвили Е.Дж., Горин Д.А., Корсунский А.М. On the mathematical description of diatom algae: from siliceous exoskeleton structure and properties to colony growth kinetics, and prospective nanoengineering applications The Mathematical Biology of Diatoms [DMTH, Volume in the series: Diatoms: Biology & Applications edited by Janice L. Pappas and Richard Gordon,Wiley-Scrivener, Beverly, MA, USA, Chapter 3 in the Mathematical Biology of Diatoms [DMTH, Volume in the series: Diatoms: Biology & Applications, series editors: Richard Gordon & Joseph Seckbach]. J.L. Pappas and R. Gordon, (eds.) Wiley-Scrivener, Beverly, MA, USA (год публикации - 2022)

3. Цветинович Ю., Бедошвили Е.Дж., Давидович Н.А., Лучкин С.Ю., Салимон А.И., Корсунский А.М., Горин Д.А. Optical properties of diatom algae: research methods and potential applications Društvo za razvoj nauke Srbije, Belgrade, BOOK OF ABSTRACTS, The 6th International Conference on the Physics of Optical Materials and Devices & The 5th International Workshop of Persistent and Photostimulable Phosphors, O-19 (год публикации - 2022)

4. Цветинович Ю., Перков С.А., Курочкин М.А., Сергеев И.С., Герман С.В., Бедошвили Е.Дж., Давидович Н.А., Корсункий А.М., Горин Д.А. Concentration dependence of optical transmission and extinction of different diatom cultures Journal of biomedical photonics & engineering (год публикации - 2022)

5. Цветинович Ю, Лучкин С. Ю., Статник Е. С., Давидович Н. А., Сомов П. А. , Салимон А. И. , Корсунский А. М., Горин Д. А. Revealing the static and dynamic nanomechanical properties of diatom frustules—Nature’s glass lace Scientific Reports, 13(1), 5518 (год публикации - 2023)
10.1038/s41598-023-31487-x

6. Цветинович Ю., Лучкин С. Ю., Перевощиков С., Давидович Н. А., Салимон А. И., Бедошвили Е. Дж., Сомов П. А., Лагудакис П., Корсунский А. М., Горин Д. А. Probing vibrational eigenmodes in diatom frustules via combined in silico computational study and atomic force microscopy experimentation Applied Physics Letters, 123(18), 184101 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0171503

7. Ю. Цветинович, С. Ю. Лучкин, Н. А. Давидович, Е. Дж. Бедошвили, А. И. Салимон, А. М. Корсунский, Д. А. Горин Characterization of diatom silica exoskeletons using atomic force microscopy: Topography and mechanical properties Materials Today: Proceedings, 10.1016/j.matpr.2023.11.027 (год публикации - 2023)
10.1016/j.matpr.2023.11.027

8. Цветинович, Юлияна; Перков, Сергей; Курочкин Максим; Сергеев Игорь; Герман, Сергей; Бедошвили, Екатерина, Давидович, Николай; Корсунский, Александр; Горин, Дмитрий. Optical characteristics of diatoms: relationship between concentration and transmission/extinction. Современные тренды в биофотонике – 2023: сборник тезисов докладов / Федер. иссл. центр Ин-т приклад. физики РАН [и др.]; отв. ред. М.Ю. Кириллин. – Нижний Новгород: ИПФ РАН, Современные тренды в биофотонике – 2023: сборник тезисов докладов / Федер. иссл. центр Ин-т приклад. физики РАН [и др.]; отв. ред. М.Ю. Кириллин. – Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2023. – 63 с. (год публикации - 2023)

9. Горин Д.А. Where does photonics meet acoustics and nanostructured materials for biomedical applications? Abstracts of the 31th International Conference on Advanced Laser Technologies, Vladivostok, The Russian Academy of Sciences, Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, Far Eastern Federal University, MESOL LLC, - 2024, 333 pages., Abstracts of the 31th International Conference on Advanced Laser Technologies – 2024. – 79 page (333 pages ) (год публикации - 2024)
10.24412/cl-35039-2024-24-73-73

10. Горин Д.А. Where does photonics meet acoustics and nanostructured materials for biomedical applications? Book of abstracts of conference 18TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON LASER APPLICATIONS IN LIFE SCIENCES, Muğla, Turkey, 2024, 112 pages, Book of abstracts of conference 18TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON LASER APPLICATIONS IN LIFE SCIENCES, 39 page (год публикации - 2024)

11. Цветинович Ю., Дьяков C.А., Гиппиус Н.А., Горин Д.А. Влияние периодических структур панцирей диатомовых водорослей на манипуляцию светом I региональное собрание РФО и Всероссийская конференция с международным участием «Современные проблемы фотобиологии и биофотоники» Сборник тезисов. Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2024. – 291 с., I региональное собрание РФО и Всероссийская конференция с международным участием «Современные проблемы фотобиологии и биофотоники» Сборник тезисов. Нижний Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2024. – 291 с. (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках третьего этапа проекта выполнен комплекс исследований, направленных на изучение биологических, оптических и функциональных характеристик морских и пресноводных диатомовых водорослей при различных условиях культивирования, включая повышенные концентрации углекислого газа. Полученные результаты важны для понимания механизмов адаптации водорослей, их фотосинтетической активности и возможностей их применения в биотехнологии. Морской вид Coscinodiscus oculus-iridis и пресноводный вид Asterionella formosa выращивались при концентрациях углекислого газа 400–1000 ppm и 1000–1500 ppm с использованием автоматизированного фотобиореактора, разработанного в рамках первых двух этапов проекта и усовершенствованного на третьем этапе. В стандартных условиях экстинкция и флуоресценция возрастали, достигая пиков к завершению эксперимента. В образцах из фотобиореактора также наблюдалось увеличение этих показателей, но при концентрации CO₂ 1000–1500 ppm оно было менее выраженным, что свидетельствует о стрессовых условиях. Мониторинг роста клеток показал, что в контрольных условиях оба вида демонстрировали более интенсивный рост и поздний переход в стационарную фазу. При концентрации 400–1000 ppm рост был стабильным, но медленным по сравнению с контролем, с максимальной концентрацией C. oculus-iridis на 10-й день. В диапазоне 1000–1500 ppm рост значительно замедлялся, а стационарная фаза наступала уже к 12-му дню. При концентрации 400–1000 ppm максимальная фиксация углекислоты достигала 1.5 нмоль/ч, совпадая с пиковой фотосинтетической активностью при освещении. При 1000–1500 ppm интенсивность поглощения CO₂ снижалась, что указывает на влияние стресса на метаболизм клеток. В клетках C. oculus-iridis при концентрации CO₂ 1000–1500 ppm размер липидных капель увеличился с 0.5±0.1 мкм до 1.6±0.2 мкм. У A. formosa липидные капли достигали размеров 2–5 мкм, что указывает на адаптацию к условиям повышенного CO₂ и накопление энергетических резервов. Анализ ультратонких срезов клеток C. oculus-iridis, выполненный методом просвечивающей электронной микроскопии, показал увеличение размеров пластоглобул с 77±51 нм до 91±63 нм и их количества при повышенной концентрации углекислого газа. Это свидетельствует об изменении липидного метаболизма в хлоропластах. В клетках C. oculus-iridis при концентрации CO₂ 1000–1500 ppm размер липидных капель увеличился с 0.5±0.1 мкм до 1.6±0.2 мкм. У A. formosa липидные капли достигали размеров 2–5 мкм, что указывает на адаптацию к условиям повышенного CO₂ и накопление энергетических резервов. В рамках исследования была изучена динамика оптической плотности клеточных суспензий морских водорослей C. oculus-iridis (штамм 0.1211-OD) и пресноводных водорослей A. formosa (штамм 22.0518-OA) на длинах волн 460 нм, 505 нм и 640 нм при концентрациях углекислого газа 400–1000 ppm и 1000–1500 ppm. Результаты показали, что C. oculus-iridis демонстрирует низкую эффективность роста при обоих уровнях концентрации CO₂, в то время как A. formosa характеризуется высокой эффективностью роста. Максимальная оптическая плотность для A. formosa составила 0.35 при концентрации CO₂ 400–1000 ppm на длине волны 505 нм и 0.2 при концентрации CO₂ 1000–1500 ppm на длине волны 460 нм. Эксперименты подтвердили пригодность автоматизированного биореактора для контроля роста микроводорослей. Установлено, что квантовый выход фотосистемы II (YII) был выше в экспоненциальной фазе роста, чем в стационарной, что связано с оптимальным физиологическим состоянием клеток. В случае образцов из фотобиореактора, которые выращивались при концентрациях CO₂ 1000–1500 ppm наблюдалось снижение YII, обусловленное стрессовыми факторами. Световые кривые фотосинтеза показали более низкую скорость переноса электронов у образцов, выращенных в условиях повышенного CO₂. Уровень нефотохимического тушения был выше у образцов из фотобиореактора, что свидетельствует об активации защитных механизмов, предотвращающих повреждение фотосинтетического аппарата. Проведены оптоакустические исследования водорослей с использованием растрового сканирующего микроскопа RSOM Explorer P50 (длина волны 532 нм, диапазон частот 11–99 МГц) и сборной установки с лазерами с длинами волн 532 и 670 нм в диапазоне частот 1–10 МГц. Для C. oculus-iridis интенсивность сигнала линейно уменьшалась с уменьшением концентрации клеток (R²=0.976 для низкочастотного сигнала). У A. formosa линейная зависимость была менее выражена (R²=0.935), что связано с вариативностью структуры колоний. Коэффициент детерминации и тангенс угла наклона зависимости при длине волны 670 нм выше, чем при 532 нм, что указывает на более высокие точность и чувствительность метода при 670 нм. С использованием Фурье-модального метода исследованы оптические свойства панцирей C. oculus-iridis. Проведен анализ пропускания, отражения и дифракции света, а также распределения интенсивности внутри панцирей. Выявлено, что благодаря резонансным эффектам внутри панциря максимальная локальная интенсивность света возрастает до 1,4 раза по сравнению с падающим светом. Установлено, что ключевую роль в перераспределении света и повышении его плотности в определённых областях играют интерференция Тальбота и резонансы Фабри-Перо. Плазменная обработка обеспечила сохранение микроархитектуры панцирей с минимальными остатками органики. Кислотная обработка полностью удаляет органику, но вызывает разрушение панцирей, что особенно заметно в случае C. oculus-iridis. Полученные результаты имеют значимость для фундаментальной науки и прикладных исследований, направленных на создание новых материалов, биотехнологий и фотонных устройств, основанных на уникальных свойствах диатомовых водорослей. По результатам работы подготовлены и отправлены две научные статьи в международные рецензируемые журналы (Q1 и Q2), которые находятся на этапе повторного рецензирования. Результаты исследований представлены на 5 международных конференциях, что способствует распространению полученных знаний и укреплению научного сотрудничества. https://xn--80aagifa4aml5d.xn--p1ai/catalog/fotobioreaktor-dlya-vyrashchivaniya-odnokletochnykh-mikrovodoroslej

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные в ходе проекта результаты представляют собой научный и технологический задел, который может быть использован в трех направлениях: 1) создания оптических приборов, позволяющих определять концентрацию, фазу и темп деления водорослей для экологического мониторинга состояния естественных водоемов; 2) использование биотехнологического подхода для экстракции углекислого газа для наработки биомассы и ценного неорганического наполнителя современных композитных материалов; 3) использование биомиметического подхода для разработки и создания высокочувствительных акустических и оптических датчиков на основе МЭМС и ФИС технологий.