绿藻的产氢代谢及其进化关系研究

绿藻产氢是解决能源和环境问题最理想的新途径，但绿藻种类繁多，不同绿藻产氢机理是否一致尚不十分清楚，在很大程度上制约着绿藻产氢效率的提高。本申请拟开展不同绿藻的产氢代谢及其进化关系研究，具体包括：扩增ITS序列，鉴定绿藻种属并构建系统进化树；测定产氢速率、氢酶活性，了解不同绿藻产氢效率；测定叶绿素荧光动力学曲线和相关参数、pH值、氧化还原电位等，探讨影响绿藻产氢过程最关键的光合原初光化学反应及绿藻产氢过程中的生理生化状态；测定厌氧代谢底物和产物等，推测产氢厌氧代谢的途径；同时，分析绿藻产氢代谢差异与系统进化的关系。其科学意义在于：在基础理论上进一步了解不同绿藻产氢过程及其机理问题，为不同绿藻建立适合人工调控方法和提高产氢效率打下工作基础或提供指导思路。

绿藻产氢是解决能源和环境问题最理想的新途径，但绿藻种类繁多，不同绿藻产氢机理是否一致尚不十分清楚，在很大程度上制约着绿藻产氢效率的提高。本申请在比较不同绿藻产氢特征的基础上，对一株高效产氢的原壳小球藻的产氢条件进行优化，并初步探讨其产氢机制。主要结果如下：. （1）建立了标准化产氢体系，筛选出14株淡水产氢绿藻和13株海水产氢绿藻，其中9株是初次发现的新产氢藻株，包括Parietochloris incisa、Chlorella protothecoides、C. sorokiniana、Tetraselmis helgolandica、T. suecica、T. striata、T. tetrathele、Nannochloropsis oceanica和Pyramimonas sp.。. （2）基于ITS 序列构建了部分绿藻的系统进化树，发现产氢藻株集中分布于Chlorella、Scenedesmus、Tetraselmis 和Nannochloropsis 属中，而Stichococcus 和Dunaliella属中所有检测过的藻株均没有产氢能力，同时在进化树上相邻的藻株产氢量也较为接近，提示绿藻的产氢能力可能与其系统分类地位具有一定的相关性。. （3）从产氢量、放氧量、代谢产物、光合作用活性等方面对淡水及海水绿藻的产氢特征进行比较，发现不同绿藻的产氢特征存在明显差异，提示其产氢代谢途径具有高度多样性。. （4）建立低氮缺硫诱导小球藻IOAC038F产氢的新方法，使其产氢量提高到233.7 ml/l，产氢能力与模式藻莱茵衣藻相当。进一推测其产氢机制为：限制氮源供给可导致藻细胞光合放氧活性降低，淀粉大量积累，有利于细胞迅速消耗体系内氧气，建立厌氧环境并诱导氢酶高活性表达，促使藻细胞高效产氢。. （5）发现低氮缺硫条件下小球藻IOAC038F产氢所需的电子75 %-90 % 来源于PSII光裂解水，10 %-25 % 来源于淀粉等有机底物降解。叶绿体呼吸在细胞耗氧阶段作为电子安全阀消耗过量的光合电子，提高细胞总呼吸能力。交替呼吸途径通过快速消耗细胞内过量的还原力，维持细胞内适宜的氧化还原状态，保证光合电子传递的顺畅。. 上述结果有利于更深入和系统地了解不同绿藻的光合产氢过程及机制，也为建立适合于不同绿藻的调控方法，提高其产氢效率提供理论和技术指导。