Badania odporności na przemarzanie i wysuszanie antarktycznych organizmów, Turgidosculum complicatulum i Prasiola crispa metodą 1H NMR

• Main Author: Kijak, Paulina
• Format: Master Thesis
• Language: Polish
• Subjects: 1H-NMR; skaningowa kalorymetria różnicowa DSC; odporność na przemarzanie; grzyby zlichenizowane; Antarktyczne ekstremofile; Turgidosculum complicatulum; Prasiola crispa; differential scanning calorimetry DSC; freezing protection; lichens; Antarctica; Antarctic; The Antarctic; King George Island; Arctowski; Arctowski Station; Zagadka; Antarc*
• Online Access: https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/handle/item/205347

Grzyby zlichenizowane odgrywają dominującą rolę w ekosystemie Antarktyki. Notuje się około 400 ich gatunków, przy występowaniu zaledwie 3 gatunków roślin naczyniowych na tym obszarze. Grzyby zlichenizowane są organizmami ekstremofilnymi, a mianowicie potrafią przetrwać nadzwyczaj niesprzyjające warunki środowiska - nie tylko skrajnie niskie temperatury i suszę, ale nawet długotrwałą ekspozycję do próżni kosmicznej, wiążącą się z działaniem pełnego widma promieniowania elektromagnetycznego i wysokiego gradientu temperatury. Zadziwia ich niezwykła odporność na działanie niskich temperatur. Wydaje się, że jej zagadka tkwi w molekularnych mechanizmach zamarzania wody. W ramach prezentowanej pracy zbadano procesy zamarzania i wiązania wody w próbkach antarktycznego grzyba zlichenizowanego Turgidosculum complicatulum i jego fotobiontu – glonu Prasiola crispa. Badania przeprowadzono metodą spektroskopii protonowej NMR w zakresie temperatur od 297K do 210K i dla trzech znacząco różnych poziomów uwodnienia, a także metodą skaningowej kalorymetrii różnicowej. W zmierzonych widmach 1H-NMR wyodrębniono składową sygnału pochodzącą od frakcji stałej protonów opisywaną linią Gaussa i jedną, uśrednioną składową cieczową opisywaną linią Lorentza. Z obniżaniem temperatury pole pod powierzchnią linii Lorentza wyrażone w jednostkach pola pod powierzchnią piku Gaussa L/S maleje w sposób ciągły dla niskich poziomów hydratacji (∆m/mo = 0.08, 0.3). Zaobserwowano spadek wartości szerokości połówkowej funkcji Lorentza, co można powiązać z niekooperatywnym unieruchamianiem molekuł wody w próbkach na skutek działania mechanizmu obrony przed zamarzaniem. Dla próbek o uwodnieniu ∆m/mo = 0.5 L/S gwałtownie spada, co odzwierciedla proces nukleacji lodu w plechach. Badania metodą skaningowej kalorymetrii różnicowej potwierdziły przemiany fazowe zaobserwowane metodą 1H-NMR w domenie czasu i częstości. Lichens predominate in the Antarctic ecosystem. There are about 400 lichen species reported in the region of Antarctica [Olech, 2004]. Lichens are example of extremophilic organisms, which thrive under extreme conditions, especially low temperatures and long periods of drought. This thesis attempts to answer question about nature of drastic dehydration and freezing resistance of lichens. The purpose of the study was to investigate molecular mechanism of bonding and freezing of water in Antarctic organisms: green alga Prasiola crispa and its lichenized form Turgidosculum complicatulum. Samples were collected in Maritime Antarctic, King George Island, in the vicinity of the Polish Antarctic H. Arctowski Station. The effect of temperature (over a range 297-210K) on T. complicatulum and P. crispa was examined using proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) and differential scanning calorimetry DSC. The studies was performed with T. complicatulum and P. crispa at different levels of hydration. 1H-NMR spectrum consists of two componenets: a broad Gaussian component from the solid matrix of thalli and an averaged, narrower Lorentzian component from bound water. With decreased temperature line area of liquid line component expressed in line area of solid signal L/S constantly decreases for lower hydration levels (∆m/mo = 0.08, 0.3). The increase in half width of Lorentzian line component was observed, what suggests non-cooperative immobilization of water molecules, which may be connected with the freezing protection mechanism acting in lichen thallus. For sample hydrated ∆m/mo = 0.5 L/S decreases rapidly, what reflects ice nucleation process. Phase transitions observed by 1H-NMR in time and frequency domain were confirmed with DSC scans.