H2– und Stromerzeugung mit Hilfe von Mikroorganismen

Mikroorganismen sind vielseitig. Einige von ihnen erzeugen Wasserstoff aus Sonnenlicht oder Biomasse, andere produzieren Strom aus Wasserstoff. Stoffwechselprozesse aus der Urzeit des Lebens können mit ihrer Hilfe zum Bestandteil einer modernen Energiewirtschaft werden.

Blaualgen haben keinen guten Ruf. Wenn sie in Badeseen auftauchen, sorgen ihre giftigen Stoffwechselprodukte für Übelkeit und Atemnot. Doch sie sind die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Dabei sind diese besonderen Mikroben eigentlich gar keine Algen, sondern bläuliche Bakterien – heute nennt man sie daher auch Cyanobakterien.

Vor Milliarden von Jahren haben sie die Fähigkeit entwickelt, Sonnenlicht in Energie umzuwandeln und zu speichern. Erst dank dieses Prozesses, der Photosynthese, konnten sich komplexere Lebensformen entwickeln.

Heute versuchen Forschende, die Photosynthese zu nutzen, um umweltfreundlich Wasserstoff zu gewinnen. Dabei setzen sie auf bestimmte Enzyme, sogenannte Hydrogenasen, die aus Blaualgen oder „echten“ Algen stammen können.

Wasserstoff durch Photosynthese

Der Prozess der Photosynthese läuft in mehreren Schritten ab: Im sogenannten Photosystem 1 setzt das Sonnenlicht energiereiche Elektronen frei. Normalerweise würde die Zelle diese nutzen, um in weiteren Schritten Energie in Form von Zuckern einzuspeichern. Das Enzym Hydrogenase kann diese Elektronen abfangen und stattdessen an freie H+-Ionen binden, die überall in der Zelle verfügbar sind. So entsteht auf biologischem Wege Wasserstoff aus Sonnenlicht.

Dieser Prozess ist ein Relikt aus Zeiten, in denen auf der Erde noch völlig andere Bedingungen herrschten. „Man kann diesen Stoffwechsel provozieren, indem man die Algen in einem luftdichten Gefäß auf eine Art Schwefeldiät setzt. Nachdem sie den Sauerstoff verbraucht haben, beginnen sie mit der Produktion von Wasserstoff, der in kleinen Bläschen aufsteigt“, schildert Christina Marx von der Arbeitsgruppe Photobiotechnologie der Ruhr-Universität Bochum (RUB).

Suche nach dem perfekten Enzym

Auch Kirstin Gutekunst, Professorin für Molekulare Pflanzenphysiologie an der Universität Kassel, betont: „Kein Organismus hat Interesse daran, primär Wasserstoff für die Menschen zu produzieren.“ Will man die Wasserstoffproduktion forcieren, muss man die Hydrogenase daher künstlich mit dem Photosystem I verbinden. Eine wesentliche Herausforderung dabei ist, dass die Hydrogenase empfindlich auf den Sauerstoff reagiert, der ebenfalls bei der Photosynthese während der Wasserspaltung entsteht.

Marx, Gutekunst und andere Forschende suchen deshalb im Labor nach Mikroorganismen, Enzymen und anderen biologischen Bauteilen, die möglichst viel Wasserstoff produzieren und gleichzeitig von Sauerstoff nicht zerstört werden.

Gutekunst leitete 2020 eine Forschungsgruppe der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), der es gelang, den Prozess erstmals in einem lebenden Cyanobakterium ablaufen zu lassen. Der Vorteil dabei ist, dass das Bakterium sich selbst repariert und somit der Prozess stabiler wird. Auch die H2-Ausbeute fiel dabei deutlich höher aus als in früheren Projekten. Allerdings holten die Cyanobakterien die Elektronen nicht nur aus der Wasserspaltung, sondern auch aus Zucker. „Den Zucker muss der Organismus vorher entweder selbst erzeugen oder man muss ihn von außen zuführen. Was wir wollen, ist, den Wasserstoff ausschließlich mit Wasser und Sonnenlicht zu erzeugen“, erklärt Gutekunst.

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