Background The development of renewable and sustainable biofuels to cover the future energy demand is one of the most challenging issues of our time. Biohydrogen, produced by photosynthetic microorganisms, has the potential to become a green biofuel and energy carrier for the future sustainable world, since it provides energy without CO2 emission. The recent development of two alternative protocols to induce hydrogen photoproduction in green algae enables the function of the O2-sensitive [FeFe]-hydrogenases, located at the acceptor side of photosystem I, to produce H2 for several days. These protocols prevent carbon fixation and redirect electrons toward H2 production. In the present work, we employed these protocols to a knockout Chlamydomonas reinhardtii mutant lacking flavodiiron proteins (FDPs), thus removing another possible electron competitor with H2 production. Results The deletion of the FDP electron sink resulted in the enhancement of H2 photoproduction relative to wild-type C. reinhardtii. Additionally, the lack of FDPs leads to a more effective obstruction of carbon fixation even under elongated light pulses. Conclusions We demonstrated that the rather simple adjustment of cultivation conditions together with genetic manipulation of alternative electron pathways of photosynthesis results in efficient re-routing of electrons toward H2 photoproduction. Furthermore, the introduction of a short recovery phase by regular switching from H2 photoproduction to biomass accumulation phase allows to maintain cell fitness and use photosynthetic cells as long-term H2-producing biocatalysts.

中文翻译：

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黄酮二铁电子槽的消除有助于绿藻中的长期 H2 光生产。

背景 开发可再生和可持续的生物燃料以满足未来的能源需求是我们这个时代最具挑战性的问题之一。由光合微生物产生的生物氢有可能成为未来可持续世界的绿色生物燃料和能源载体，因为它提供的能源不排放二氧化碳。最近开发了两种在绿藻中诱导氢光产生的替代方案，使位于光系统 I 受体侧的 O2 敏感 [FeFe]-氢化酶的功能能够在几天内产生 H2。这些协议可防止碳固定并将电子重定向到 H2 生产。在目前的工作中，我们采用这些方案来敲除缺乏黄素二铁蛋白 (FDP) 的莱茵衣藻突变体，从而消除了另一个可能产生 H2 的电子竞争者。结果与野生型莱茵衣藻相比，FDP 电子槽的缺失导致 H2 光生产增强。此外，即使在拉长的光脉冲下，FDP 的缺乏也会导致更有效地阻碍碳固定。结论 我们证明，相当简单的培养条件调整以及光合作用替代电子途径的遗传操作导致电子有效地重新路由至 H2 光生产。此外，通过从 H2 光生产定期切换到生物质积累阶段来引入短期恢复阶段，可以维持细胞适应性并将光合细胞用作长期生产 H2 的生物催化剂。结果与野生型莱茵衣藻相比，FDP 电子槽的缺失导致 H2 光生产增强。此外，即使在拉长的光脉冲下，FDP 的缺乏也会导致更有效地阻碍碳固定。结论 我们证明，相当简单的培养条件调整以及光合作用替代电子途径的遗传操作导致电子有效地重新路由至 H2 光生产。此外，通过从 H2 光生产定期切换到生物质积累阶段来引入短期恢复阶段，可以维持细胞适应性并将光合细胞用作长期生产 H2 的生物催化剂。结果与野生型莱茵衣藻相比，FDP 电子槽的缺失导致 H2 光生产增强。此外，即使在拉长的光脉冲下，FDP 的缺乏也会导致更有效地阻碍碳固定。结论 我们证明，相当简单的培养条件调整以及光合作用替代电子途径的遗传操作导致电子有效地重新路由至 H2 光生产。此外，通过从 H2 光生产定期切换到生物质积累阶段来引入短期恢复阶段，可以维持细胞适应性并将光合细胞用作长期生产 H2 的生物催化剂。即使在拉长的光脉冲下，缺乏 FDP 也会更有效地阻碍碳固定。结论 我们证明，相当简单的培养条件调整以及光合作用替代电子途径的遗传操作导致电子有效地重新路由至 H2 光生产。此外，通过从 H2 光生产定期切换到生物质积累阶段来引入短期恢复阶段，可以维持细胞适应性并将光合细胞用作长期生产 H2 的生物催化剂。即使在拉长的光脉冲下，缺乏 FDP 也会更有效地阻碍碳固定。结论 我们证明，相当简单的培养条件调整以及光合作用替代电子途径的遗传操作导致电子有效地重新路由至 H2 光生产。此外，通过从 H2 光生产定期切换到生物质积累阶段来引入短期恢复阶段，可以维持细胞适应性并将光合细胞用作长期生产 H2 的生物催化剂。结论 我们证明，相当简单的培养条件调整以及光合作用替代电子途径的遗传操作导致电子有效地重新路由至 H2 光生产。此外，通过从 H2 光生产定期切换到生物质积累阶段来引入短期恢复阶段，可以维持细胞适应性并将光合细胞用作长期生产 H2 的生物催化剂。结论 我们证明，相当简单的培养条件调整以及光合作用替代电子途径的遗传操作导致电子有效地重新路由至 H2 光生产。此外，通过从 H2 光生产定期切换到生物质积累阶段来引入短期恢复阶段，可以维持细胞适应性并将光合细胞用作长期生产 H2 的生物催化剂。