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Photosynthetischer Wasserstoff Bakterien statt Ölraffinerien? – Ein Weg zu erneuerbaren Energien

| Autor / Redakteur: Christian Urban* / Christian Lüttmann

Wasserstoff hat das Potenzial zu einem klimaneutralen Energieträger, entsteht bei seiner Verbrennung doch lediglich Wasser. Er ist aber nur „grün“, wenn auch seine Herstellung ohne Einsatz fossiler Brennstoffe erfolgt – etwa durch Photosynthese. Kieler Forscher haben nun Cyanobakterien so umprogrammiert, dass sie Licht verstärkt in Wasserstoff statt in Zucker umwandeln.

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Dr. Kirstin Gutekunst sucht nach Wegen, mithilfe von Cyanobaterien und Sonnenlicht klimafreundlichen Wasserstoff als Energieträger zu erzeugen.
Dr. Kirstin Gutekunst sucht nach Wegen, mithilfe von Cyanobaterien und Sonnenlicht klimafreundlichen Wasserstoff als Energieträger zu erzeugen.
(Bild: Dr. Jens Appel)

Kiel – Die Abkehr von fossilen Brennstoffen zugunsten einer erneuerbaren Energieversorgung ist eine der wichtigsten weltweiten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Das Ziel aus dem Pariser Klimaabkommen von 2015 ist klar: Die Erderwärmung auf höchstens 2 °C, besser unter 1,5 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau begrenzen, dazu muss die internationale Staatengemeinschaft gemeinsam den globalen CO2-Ausstoß drastisch reduzieren. Obwohl Deutschland bei dieser Energiewende lange als Vorreiter galt, ist eine weitreichende Umstellung der Energiewirtschaft auf erneuerbare Energien auch hierzulande noch ein Zukunftsszenario.

Als potenziell klimaneutraler Energieträger könnte Wasserstoff dabei künftig eine bedeutende Rolle spielen. In Brennstoffzellen liefert er Energie für diverse Anwendungen und bringt als Abfallprodukt nur Wasser hervor. Derzeit wird Wasserstoff vor allem aus der Elektrolyse von Wasser gewonnen – bislang zumeist unter Einsatz von Energie aus fossilen Quellen. Eine klimaneutrale Wasserstoffwirtschaft dagegen erfordert, dass man ausschließlich regenerative Energie nutzt. Nur so wäre der Wasserstoff letztlich „grün“, also klimaneutral.

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Energie aus Sonnenlicht

Eine solche nachhaltige Energiequelle für die grüne Wasserstofferzeugung versuchen Forscher zum Beispiel mittels der Photosynthese zu erschließen. Seit jeher Nutzen die Menschen die Produkte der Photosynthese, die Energie aus Sonnenlicht nutzbar macht: entweder in Form von Nahrung oder als fossiler Brennstoff.

In beiden Fällen ist die Sonnenenergie zunächst in Kohlenstoffverbindungen wie zum Beispiel Zucker gespeichert. Wenn die Energie aus diesen Kohlenstoffverbindungen genutzt wird, entsteht zwangsläufig CO2. Die photosynthetische CO2-Fixierung wird dabei quasi rückgängig gemacht, um die einen Teil der in den chemischen Bindungen gespeicherten Sonnenenergie zurückzugewinnen.

Sonnenenergie in Wasserstoff speichern

An der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) erforscht die Nachwuchsgruppe „Bioenergetik in Photoautotrophen“ von Dr. Kirstin Gutekunst, 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“, erklärt Gutekunst ihren Forschungsansatz. Sie untersucht mit ihrem Team dazu ein bestimmtes Cyanobakterium: Über die Photosynthese kann es für wenige Minuten solaren Wasserstoff produzieren, den die Zelle jedoch im Anschluss direkt wieder verbraucht.

In einer aktuellen Arbeit beschreiben die Kieler Forscher, wie sich der Mechanismus des Cyanobakteriums möglicherweise in Zukunft für biotechnologische Anwendungen nutzen lässt: Es ist ihnen gelungen, ein bestimmtes Enzym der lebendigen Cyanobakterien, eine so genannte Hydrogenase so an die Photosynthese koppeln, dass das Bakterium über lange Zeiträume solaren Wasserstoff produziert – und nicht wieder verbraucht.

Cyanobakterien als Wasserstoff-Fabriken

Ebenso wie sämtliche Grünpflanzen sind auch Cyanobakterien in der Lage, Photosynthese zu betreiben. In der Photosynthese nutzen sie Sonnenenergie, um Wasser zu spalten und die Sonnenenergie chemisch zu speichern – vor allem in Form von Zucker. Das Kieler Forschungsteam hat nun einen Ansatz entwickelt, um den Speicherprozess umzuprogrammieren und den Stoffwechsel der lebendigen Organismen primär zur Herstellung von Wasserstoff anzuregen.

„Das von uns untersuchte Cyanobakterium nutzt ein Enzym, die Hydrogenase, um den Wasserstoff aus Protonen und Elektronen zu gewinnen“, sagt Studienleiterin Gutekunst. „Die Elektronen stammen dabei aus der Photosynthese. Uns ist es gelungen, die Hydrogenase so an das so genannte Photosystem I zu fusionieren, dass die Elektronen bevorzugt für die Wasserstoffproduktion genutzt werden, während der normale Stoffwechsel in geringerem Umfang weiterläuft.“ Auf diesem Weg stellt das veränderte Cyanobakterium deutlich mehr solaren Wasserstoff her als in bisherigen Experimenten.

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Photosynthese der Cyanobakterien

Bei der Photosynthese der Cyanobakterien durchlaufen Elektronen so genannte Photosysteme, in denen sie in einer Kaskade von Reaktionen schließlich den universellen Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) und so genannte Reduktionsäquivalente (NADPH) hervorbringen. ATP und NADPH werden anschließend benötigt, um CO2 zu fixieren und Zucker zu produzieren. Die für die Wasserstoffproduktion benötigten Elektronen sind normalerweise Teil von Stoffwechselprozessen, die den Cyanobakterien gespeicherte Energie in Form von Zucker zur Verfügung stellen.

Cyanobakterien reparieren sich, hemmen sich aber auch selbst

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 aufwändig immer wieder neu erstellt werden. Der nun vom CAU-Forschungsteam eingeschlagene Weg hat dagegen den 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, sodass 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.“

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 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 Forscherteams ist es, ausschließlich Elektronen aus der Wasserspaltung für die Wasserstoffgewinnung zu nutzen.

Originalpublikation: Jens Appel, Vanessa Hueren, Marko Boehm, Kirstin Gutekunst: Cyanobacterial in vivo solar hydrogen production using a photosystem I- hydrogenase (psaD-hoxYH) fusion complex, Nature Energy Published: 4 May 2020; DOI: 10.1038/s41560-020-0609-610.1038

* C. Urban, Christian-Albrechts- Universität zu Kiel, 24118 Kiel

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