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CAU-Forscher stellen Wasserstoff mit lebenden Bakterien her

Wasserstoff muss nicht zwangsläufig per Elektrolyse aus Strom gewonnen werden. Auch in natürlichen Prozessen entsteht Wasserstoff. Grundlage bildet die Photosynthese, die Sonnenenergie in Kohlenstoffverbindungen wie zum Beispiel Zucker speichert. Wenn diese Kohlenstoffverbindungen genutzt werden, entsteht jedoch CO2. Kieler Forschern ist es nun gelungen ein Enzym so an die Photosynthese zu koppeln, dass das lebende Bakterium über lange Zeiträume solaren Wasserstoff produziert und nicht wieder verbraucht.

Gemeinsam mit Dr. Jens Appel, Vanessa Hüren und Dr. Marko Böhm (von links nach rechts) erforscht Dr. Kirstin Gutekunst, wie sich Cyanobakterien zur Produktion solaren Wasserstoffs einsetzen lassen. (Foto: © Sarah Hildebrandt)

Gemeinsam mit Dr. Jens Appel, Vanessa Hüren und Dr. Marko Böhm (von links nach rechts) erforscht Dr. Kirstin Gutekunst, wie sich Cyanobakterien zur Produktion solaren Wasserstoffs einsetzen lassen. (Foto: © Sarah Hildebrandt)

Forscher an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) erforschen daher, wie man bei der Energiegewinnung diesen Kohlenstoffzyklus und die damit einhergehenden CO2-Emissionen vermeiden kann. Dazu kommt insbesondere die Speicherung von Sonnenenergie direkt in Form von Wasserstoff infrage - dabei entsteht kein CO2 und der Wirkungsgrad ist durch die direkte Umwandlung sehr groß. Insbesondere kann ein bestimmtes Cyanobakterium über die Photosynthese für wenige Minuten solaren Wasserstoff produzieren.

Der Nachwuchsgruppe ‚Bioenergetik in Photoautotrophen’ am Botanischen Institut von Dr. Kirstin Gutekunst, assoziiert an Professor Rüdiger Schulz, ist es gelungen, ein bestimmtes Enzym der lebendigen Cyanobakterien, eine sogenannte Hydrogenase (von ‚hydrogen’, Englisch: Wasserstoff) so an die Photosynthese zu koppeln, dass das Bakterium über lange Zeiträume solaren Wasserstoff produziert und nicht wieder verbraucht.

In diesem Prozess durchlaufen Elektronen sogenannte Photosysteme, in denen sie in einer Kaskade von Reaktionen schließlich den universellen Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) und sogenannte Reduktionsäquivalente (NADPH) hervorbringen. ATP und NADPH werden anschließend benötigt, um CO2 zu fixieren und Zucker zu produzieren. Die für die Wasserstoffproduktion benötigten Elektronen sind also normalerweise Teil von Stoffwechselprozessen, die den Cyanobakterien gespeicherte Energie in Form von Zucker zur Verfügung stellen. Das Kieler Forschungsteam hat einen Ansatz entwickelt, um diese Elektronen umzuleiten und den Stoffwechsel der lebendigen Organismen primär zur Herstellung von Wasserstoff anzuregen.

Ähnliche Ansätze zur Wasserstoffproduktion mit Fusionen aus Hydrogenase und Photosystem existierten bereits in vitro, also außerhalb von lebenden Zellen im Reagenzglas oder auf Elektrodenoberflächen in photovoltaischen Zellen. Problematisch ist dabei allerdings, dass diese künstlichen Ansätze in der Regel kurzlebig sind. Die Fusion aus Hydrogenase und Photosystem muss aufwendig immer wieder neu erstellt werden.

Der nun vom CAU-Forschungsteam eingeschlagene Weg hat dagegen den großen Vorteil, potenziell unbegrenzt zu funktionieren. „Der Stoffwechsel der lebenden Cyanobakterien repariert und vervielfältigt die Fusion aus Hydrogenase und Photosystem und gibt sie bei der Teilung an neue Zellen weiter, so dass der Prozess im Prinzip dauerhaft ablaufen kann“, betont Projektleiterin Gutekunst. „Mit unserem in vivo Ansatz ist es erstmals gelungen, eine solare Wasserstoffproduktion über eine Fusion aus Hydrogenase und Photosystem in der lebenden Zelle zu realisieren“, so Gutekunst.

Eine Herausforderung besteht im Moment noch darin, dass die Hydrogenase in Anwesenheit von Sauerstoff deaktiviert wird. Die in den lebendigen Zellen weiterhin ablaufende ‚normale’ Photosynthese, bei der im Zuge der Wasserspaltung auch Sauerstoff entsteht, hemmt also die Wasserstoffproduktion.

Um den Sauerstoff zu entfernen beziehungsweise dessen Entstehung zu minimieren, werden die Cyanobakterien für die Wasserstoffproduktion momentan teilweise auf die sogenannte anoxygene Photosynthese umgestellt. Sie basiert jedoch nicht auf Wasserspaltung. Zurzeit stammen die Elektronen für die Wasserstoffproduktion daher teilweise aus der Wasserspaltung und teilweise aus anderen Quellen. Langfristiges Ziel des Kieler Forschungsteams ist es aber, ausschließlich Elektronen aus der Wasserspaltung für die Wasserstoffgewinnung zu nutzen.

Der neue in vivo Ansatz bietet insgesamt eine vielversprechende neue Perspektive, um die photosynthetische Wasserspaltung zur Produktion von klimaneutralem, grünen Wasserstoff zu etablieren und so die nachhaltige Energiegewinnung voranzubringen. Die weitere Erforschung der Stoffwechselwege von Cyanobakterien in Gutekunsts Gruppe soll mittelfristig insbesondere den Wirkungsgrad der solaren Wasserstoffproduktion weiter steigern.

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"CAU-Forscher stellen Wasserstoff mit lebenden Bakterien her" wurde am 05.05.2020 verfasst