Η μείωση των ενεργειακών αποθεμάτων του πλανήτη σε συνδυασμό με την περιβαλλοντική μόλυνση και την κλιματική αλλαγή καθιστούν επιτακτική ανάγκη την εύρεση εναλλακτικών πηγών ενέργειας, φιλικών προς το περιβάλλον. Το υδρογόνο αποτελεί ιδανική λύση. Συγκριτικά με τους υδρογονάνθρακες που χρησιμοποιούνται σήμερα έχει υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο, αφού με την καύση του παράγεται σχεδόν τριπλάσια ενέργεια. Επιπλέον, χαρακτηρίζεται ως το φιλικότερο καύσιμο προς το περιβάλλον επειδή το μοναδικό προϊόν της καύσης του είναι το νερό. Η φωτοσυνθετική παραγωγή υδρογόνου παρουσιάζει μία υποσχόμενη μέθοδο για την ανάπτυξη οικονομικά συμφέρουσας βιομηχανικής παραγωγής. Κύριος στόχος της εργασίας είναι η μελέτη του μηχανισμού παραγωγής υδρογόνου από το μικροφύκος Chlamydomonas reinhardtii υπό συνθήκες στέρησης θείου.
Υπό την παρουσία θείου το μικροφύκος επιτελεί κανονικά τη φωτοσυνθετική διαδικασία. Αντίθετα, κατά την έλλειψη θείου η διαδικασία αυτή παρεμποδίζεται, με αποτέλεσμα την παραγωγή σημαντικών ποσοτήτων Η2 με χρήση νερού και φωτός. Μέχρι σήμερα η στέρηση θείου αποτελεί την αποτελεσματικότερη μέθοδο. Η επίδραση της στο φωτοσυνθετικό μηχανισμό και ειδικότερα στο φωτοσύστημα II (PSII) είναι πολύ σημαντική και δεν έχει διευκρινιστεί πλήρως. Στην εργασία αυτή μελετήθηκε ο ρόλος του PSII με τη χρήση μεταλλαγμάτων όπου διαφοροποιούνται σε καίρια σημεία της φωτοσυνθετικής διαδικασίας, οδηγώντας σε διαφορετική συμπεριφορά του PSII. Επιπλέον, μελετήθηκε απομονωμένος ο φωτοσυνθετικός μηχανισμός (χλωροπλάστες, θυλακοειδείς μεμβράνες, PSII) προσδιορίζοντας την ενεργότητα και την πρ ωτεϊνική σύσταση του. Τα αποτελέσματα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η παρουσία αποδοτικού PSII ενισχύει την παραγωγή Η2. Επίσης, παρατηρήθηκε η ύπαρξη ενός μηχανισμού παραγωγής υδρογόνου ανεξάρτητου από τη στέρηση θείου.
Δεύτερο μέρος της εργασίας αποτελεί η κατασκευή ενός βιοσυστήματος φωτοπαραγωγής Η2. Θυλακοειδής μεμβράνες συνδυάστηκαν με τη NiFe -Υδρογενάση από το βάκιλλο Ralstonia paucula, και μελετήθηκε η ικανότητα παραγωγής υδρογόνου. Κύριο χαρακτηριστικό του υβριδικού συστήματος είναι η χρήση του νερού ως δότη ηλεκτρονίων καθώς και η χρήση του φωτός, οδηγώντας σε μία μέθοδο παραγωγής βιο-υδρογόνου με μειωμένο κόστος.
(EL)
Concerns about energy supply, combined with global warming and environmental pollution, makes it imperative to develop alternative energy sources that are clean, renewable and environmentally friendly. Hydrogen is thought to be ideal as an alternative fuel. It has a high energy content since, compared to traditional hydrocarbon fuels, can generate roughly three times more energy through its combustion. Moreover, hydrogen is characterized as the cleanest energy source, since the sole product of its combustion is water. Photosynthetic hydrogen production presents a promising method for the development of a new economically advantageous industrial production. The main objective of this master thesis was the study of the hydrogen production mechanism by sulfur deprived Chlamydomonas reinhardtii.
Although in the presence of sulfur green algae perform normal photosynthesis, in the absence of sulfur photosynthetic activity is inhibited and the algae slip into the Η2-production mode, resulting in the generation of significant amounts of Η2 gas, essentially by using sunlight and water. So far, sulfur deprivation has been proven the most efficient method; the impact on the photosynthetic apparatus, especially on Photosystem II, is very important for the entire process. The role of Photosystem II in hydrogen production has been explored by using various mutants that have differences in critical phases of the photosynthetic process, resulting to a different behavior of PSII. In addition to whole cells, various photosynthetic preparations such as chloroplasts, thylakoids and Photosystem II enriched membranes were also investigated. Specifically, their activity and their protein composition were thoroughly examined. The main conclusion of these studies is that for effective hydrogen production an active Photosystem II is necessary. In addition, the presence of a hydrogen production mechanism, which does not require sulfur deprivation is also present in Chlamydomonas.
The second part of this thesis is related to the assembly of a hydrogen photoproducing biosystem. Thylakoid membranes combined with a NiFe-Hydrogenase from bacillus Ralstonia paucula are able to catalyze the crucial steps in a biological energy conversion, generating hydrogen by using water and light. The use of light and water as an electron donor are the key-points, which could be used for the low cost production of biohydrogen.
(EN)
