Российские ученые выяснили, что при увеличении солености воды в клетках морской диатомовой водоросли Nitzschia ослабляются связи между компонентами фотосинтетического аппарата и нарушается правильное формирование клеточного покрова. Эти изменения удалось отследить с помощью целого спектра современных фотонных методов, позволяющих получать исчерпывающую информацию о состоянии и функциональных свойствах диатомей.
Диатомовые водоросли ценны благодаря своим кремнеземным панцирям, которые широко используются в пищевой промышленности, а также в процессах очистки питьевой воды и сточных вод, в производстве напитков. Диатомит, образованный из ископаемых остатков их панцирей, применяется как природный сорбент в фильтрационных системах.
Диатомовые водоросли — это одни из важнейших компонентов водных сообществ. Эти микроскопические организмы связывают около 20% мирового углекислого газа, составляют основу морских пищевых цепочек, а также синтезируют и накапливают различные химические соединения, в первую очередь, производные кремния, который служит основным компонентом «панциря» этих одноклеточных водорослей. У разных видов диатомовых водорослей форма и строение панциря различается, однако во всех случаях он представляет собой достаточно сложную, упорядоченную и способную выдерживать большие нагрузки конструкцию. Это позволяет использовать панцири диатомовых водорослей как модель при создании прочных наноструктурных материалов и компонентов сенсорных устройств для медицины и микроэлектроники.
При этом разные виды диатомовых водорослей в природе встречаются в очень широком диапазоне солености — от 0 (некоторое время эти водоросли могут жить даже в дистиллированной воде) до более 150 промилле, когда уже наблюдается осаждение солей. Поэтому ученые проверили, как Nitzschia адаптируется к изменениям солености в диапазоне от 10 до 150 промилле (соленость Красного моря — самого соленого моря на Земле — составляет 41 промилле, а в некоторых гиперсоленых водоемах достигает 350 промилле). Выбрав такой диапазон солености, исследователи смогли смоделировать стрессовые условия для водорослей.
Впервые при изучении диатомовых водорослей ученые использовали ряд современных методов: лазерную сканирующую микроскопию, флуоресцентную время-разрешенную микроскопию, фотоакустическую визуализацию, а также просвечивающую электронную микроскопию. Такие методики позволили получить изображения клеток и их органелл (внутриклеточных структур) с необходимым разрешением и контрастом.
С помощью лазерной сканирующей микроскопии авторы выяснили, что, когда водоросль попадает в условия стресса — воду со слишком низкой или высокой соленостью, — в ее клетках накапливаются более крупные капли липидов. При неблагоприятных условиях в таких каплях водоросли запасают углерод и энергию, депонируют жирные кислоты для синтеза липидов. В частности, при повышенной солености среды накопление липидов в каплях помогает сохранить целостность мембраны, которая может быть нарушена из-за дисбаланса давлений.
При солености 40 промилле размер липидных капель составлял примерно 1 микрометр, тогда как при 10 промилле или 150 промилле он увеличивался до 2,3 микрометров. Накопление кремния в створках и, следовательно, их формирование также менялись при попадании водорослей в стрессовые условия. Наибольшие аномалии в структуре кремнеземного панциря наблюдались при 60 промилле.
Сочетание флуоресцентной время-разрешенной микроскопии с методом быстрой индукции флуоресценции позволило изучить, как соленость влияет на энергетические и электрон-транспортные процессы в клетках. По тому, как хлорофилл — зеленый пигмент, участвующий в фотосинтезе, — взаимодействует со светом, авторы определили, что при увеличении солености в клетках изменяются процессы преобразования поглощенной энергии. Оказалось, что при концентрации соли 80 промилле перенос энергии и электронов по компонентам фотосинтетической системы протекали медленнее всего, потому что значительная часть поглощенной энергии расходовалась в виде флуоресценции — излучения частиц света — и на тепловые потери.
Кроме того, исследователи на базе Саратовского национального исследовательского университета определили, что с повышением уровня солености пигменты водорослей активнее поглощают свет и преобразуют его энергию в ультразвуковые колебания. Это во многом связано с увеличением концентрации хлорофилла и других пигментов.
С помощью просвечивающей электронной микроскопии ученые установили, что у водорослей в зависимости от солености среды меняется строение полисахаридного слоя, располагающегося между панцирем и мембраной клетки. Такая органическая оболочка играет защитную функцию в клетке, а также способствует сохранению целостности панциря и может участвовать в его формировании. У клеток, выращенных при солености 20 промилле, этот слой практически незаметен, при 40 промилле он представлен в виде тонкого слоя, прилегающего к створке панциря, а максимального размера достигает при 60 промилле.
В целом исследователи показали, что клетки изучаемых диатомовых водорослей росли примерно с одинаковой скоростью в широком диапазоне солености. Такая особенность позволяет клеткам этого вида обитать в самых разных водоемах.
«Понимание того, как соленость воды влияет на диатомовые водоросли, потенциально позволит подобрать оптимальные условия их роста в биореакторах, использующихся для производства биогенного нано- и микроструктурированного диоксида кремния и биологически активных соединений, а также получения биотоплива. Кроме того, диатомовые водоросли могут служить индикаторами, показывающими изменение солености в воде. Такой биологический сенсор позволит отслеживать, как изменение климата влияет на морское разнообразие», — рассказал руководитель проекта Дмитрий Горин, доктор химических наук, профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха.
В исследовании также участвовали сотрудники Лимнологического института Сибирского отделения РАН (Иркутск), Карадагской научной станции имени Т. И. Вяземского (Феодосия) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва).
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Scientific Reports.
