Ispitivanje interakcije jona Cu(II) i Mn(II) sa strukturnim jedinicama polimera ćelijskog zida i mukusa jednoćelijske alge Chlorella sorokiniana izložene abiotičkom stresu

Abstract

U ovoj doktorskoj disertaciji ispitane su interakcije jona Cu(II) i Mn(II) sa strukturnim polimerima ćelijskog zida i mukusa kod jednoćelijske zelene alge Chlorella sorokiniana izložene abiotičkim stresorima. Primenom različitih metoda pokazano je da mikroalga C. sorokiniana ima brz adaptivni odgovor na visoke, netoksične, koncentracije jona Cu(II) i Mn(II) i da se odgovor menja tokom vremena, odnosno da postoje faze. Osnovne komponente odgovora obuhvataju oslobađanje mukusa, akumulaciju polifosfata unutar mukusa, promene unutarćelijskih redoks uslova i hemijske i strukturne promene ćelijskog zida. Predloženo je da dolazi i do redukcije Cu(II) do Cu(I) i do oksidacije Mn(II) do Mn(III) i Mn(IV). Ovi rezultati pružaju mogućnost za bolje razumevanje fiziološlih i biohemijskih mehanizama miktoalgi da se prilagode visokim spoljnjim koncentracijama metala, ali i razumevanju metabolizma metala u mikroalgama. Dobijeni rezultati važni su za razumevanje metabolizma mikroalgi, tolerancije na hemijska zagađenja vodenih ekosistema, modulacije bioraspoloživosti metala i njihove toksičnosti za druge organizme, upotrebe mikroalgi i mikroalgalne biomase kao biosorbenta. Takođe, ispitivan je i uticaj jonizujućeg zračenja u kontekstu interakcija sa jonima Cu(II) i Mn(II). Pokazano je da C. sorokiniana ima brz odgovor na abiotički stres izazvan ovim zračenjem. U roku od jednog dana nakon izlaganja jonizujućem zračenju, fibrilarni sloj ćelijskog zida postao je deblji, udeo uronskih kiselina bio je veći, a kapacitet ćelijskog zida za uklanjanje hidroksilnog radikala, glavnog reaktivnog proizvoda radiolize vode se povećao. Izlaganje mikroalgi jonizujućem zračenju dovelo je i do povećanja kapaciteta za vezivanje jona Cu(II) za polimere ćelijskog zida, pre svega za ostatke glukozamina u polimeru sličnom hitozanu koji čini spoljni rigidni sloj zida. Na osnovu dobijenih rezultata može se zaključiti da ćelijski zid algi predstavlja dinamičnu strukturu uključenu u zaštitu ćelije od jonizujućeg zračenja, da mikroalge imaju značajnu kontrolu bioraspoloživosti jona bakra i mangana u vodenim ekosistemima i značajan potencijal za prečišćavanje voda zagađenih ovim metalima, posredstvom vezivanja za mukus i ćelijski zid, što predhodi daljim procesima u metaboličkom i adaptivnom odgovoru na povećano prisustvo metala.

In this doctoral dissertation, we investigated interactions of Cu(II) and Mn(II) ions with structural polymers of the cell wall and mucilage in single-cell green alga Chlorella sorokiniana that was exposed to abiotic stressors. Using different methods, it was shown that microalga C. sorokiniana shows rapid adaptive response to high, non-toxic, concentrations of Cu(II) and Mn(II) ions and that the response changes over time, i.e. the process shows several phases. The fundanmental changes include mucilage release, accumulation of polyphosphates within the mucilage, changes in intracellular redox status, and chemical and structural changes in the cell wall. Reduction of Cu(II) to Cu(I) and the oxidation of Mn(II) to Mn(III) and Mn (IV) are implicated. These results enable better understanding of the physiological and biochemical mechanisms of adaptation of microalgae to high concentrations of metals and the metabolism of metals in microalgae. The obtained results are important for understanding the metabolism of microalgae, tolerance to chemical pollution of aquatic ecosystems, modulation of bioavailability of metals and their toxicity to other organisms and use of microalgae and microalgal biomass as a biosorbent. Also, the influence of ionizing radiation in the context of interaction with Cu(II) and Mn(II) ions was investigated. It was shown that C. sorokiniana exhibits a rapid response to radiation-induced stress. One day after exposure to ionizing radiation, the fibrilar layer of the cell wall became thicker, the fraction of uronic acid was higher, and the capacity of the cell wall to remove hydroxyl radical, the main reactive product of water radiolysis, increased. The exposure of microalgae to ionizing radiation also led to significant increase in the binding capacity of the cell wall for Cu(II). This is related to the increase in the amount of glucosamine residues in the chitosan-like polymer that forms the external rigid layer of the call wall. In summary, our results de monstrate that microalgal cell wall is a dynamic structure which is involved in protecting cells from ionizing radiation, that microalgae have a significant control over bioavailability of copper and manganese ions in aquatic ecosystems and a significant potential for removing Cu and Mn from contaminated water by binding them to mucus and cell wall, which precedes further processes in the metabolic and adaptive response to the increased presence of metals.