{"id":74784,"date":"2020-05-14T06:42:26","date_gmt":"2020-05-14T04:42:26","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fenergie-elektrotechnik%2Fenergie-der-zukunft-photosynthetischer-wasserstoff-aus-bakterien.html"},"modified":"2021-09-09T21:19:28","modified_gmt":"2021-09-09T19:19:28","slug":"energie-der-zukunft-photosynthetischer-wasserstoff-aus-bakterien","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/energie-der-zukunft-photosynthetischer-wasserstoff-aus-bakterien\/","title":{"rendered":"Energie der Zukunft: Photosynthetischer Wasserstoff aus Bakterien"},"content":{"rendered":"

Die Umstellung von der Nutzung fossiler Brennstoffe hin zu einer erneuerbaren Energieversorgung ist eine der wichtigsten weltweiten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Um das international vereinbarte Ziel der Begrenzung der Erderw\u00e4rmung auf maximal 1,5 Grad zu erreichen, muss die internationale Staatengemeinschaft gemeinsam den globalen CO2<\/sub>-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 vielversprechender, da potenziell klimaneutraler Energietr\u00e4ger k\u00f6nnte Wasserstoff dabei k\u00fcnftig eine bedeutende Rolle spielen. In Brennstoffzellen genutzt liefert er Energie f\u00fcr diverse Anwendungen und bringt als Abfallprodukt nur Wasser hervor. Derzeit wird Wasserstoff vor allem aus der Elektrolyse von Wasser gewonnen – und dieses Verfahren erfordert zun\u00e4chst den Einsatz von Energie, bislang zumeist aus fossilen Quellen. Eine klimaneutrale Wasserstoffwirtschaft dagegen, also die Nutzung von sogenanntem gr\u00fcnen Wasserstoff, erfordert, dass zur Erzeugung des Rohstoffes ausschlie\u00dflich regenerative Energie genutzt wird. Eine solche nachhaltige Energiequelle versuchen Forschende zum Beispiel mittels der Photosynthese zu erschlie\u00dfen. Seit jeher versorgt die Photosynthese uns Menschen mit Energie aus Sonnenlicht, entweder in Form von Nahrung oder als fossiler Brennstoff. In beiden F\u00e4llen ist die Sonnenenergie zun\u00e4chst in Kohlenstoffverbindungen wie zum Beispiel Zucker gespeichert. Wenn diese Kohlenstoffverbindungen genutzt werden, entsteht zwangsl\u00e4ufig CO2<\/sub>. Die photosynthetische CO2<\/sub>-Fixierung wird dabei quasi r\u00fcckg\u00e4ngig gemacht, um die Sonnenenergie aus den Kohlenstoffverbindungen zur\u00fcckzugewinnen.<\/strong><\/p>\n

\"\u00a9
\u00a9 Dr. Kirstin Gutekunst
Anders als bei in vitro Ans\u00e4tzen ist der Stoffwechsel lebender Cyanobakterien prinzipiell in der Lage, dauerhaft Wasserstoff zu produzieren.<\/figcaption><\/figure>\n

An der Christian-Albrechts-Universit\u00e4t zu Kiel (CAU) erforscht die Nachwuchsgruppe \u201aBioenergetik in Photoautotrophen\u2019 am Botanischen Institut von Dr. Kirstin Gutekunst,\u00a0 assoziiert an Professor R\u00fcdiger Schulz, wie man bei der Energiegewinnung diesen Kohlenstoffzyklus und die damit einhergehenden CO2<\/sub>-Emissionen vermeiden kann. \u201eDazu kommt insbesondere die Speicherung von Sonnenenergie direkt in Form von Wasserstoff infrage – dabei entsteht kein CO2<\/sub> und der Wirkungsgrad ist durch die direkte Umwandlung sehr gro\u00df\u201c, erkl\u00e4rt Gutekunst ihren Forschungsansatz. Sie untersucht mit ihrem Team dazu ein bestimmtes Cyanobakterium: \u00dcber die Photosynthese kann es f\u00fcr wenige Minuten solaren Wasserstoff produzieren, den die Zelle jedoch im Anschluss direkt wieder verbraucht. In einer aktuellen Arbeit beschreiben die Kieler Forschenden, wie sich dieser Mechanismus m\u00f6glicherweise in Zukunft f\u00fcr biotechnologische Anwendungen nutzen l\u00e4sst: Sie konnten ein bestimmtes Enzym der lebendigen Cyanobakterien, eine sogenannte Hydrogenase (von \u201ahydrogen\u2019, Englisch: Wasserstoff) so an die Photosynthese koppeln, dass das Bakterium \u00fcber lange Zeitr\u00e4ume solaren Wasserstoff produziert und nicht wieder verbraucht. Ihre Ergebnisse ver\u00f6ffentlichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler heute in der renommierten Wissenschaftszeitschrift Nature Energy.<\/p>\n

Cyanobakterien als Wasserstoff-Fabriken<\/h3>\n

Ebenso wie s\u00e4mtliche Gr\u00fcnpflanzen sind auch Cyanobakterien in der Lage, Photosynthese zu betreiben. In der Photosynthese wird Sonnenenergie genutzt, um Wasser zu spalten und die Sonnenenergie chemisch zu speichern \u2013 vor allem in Form von Zucker. In diesem Prozess durchlaufen Elektronen sogenannte Photosysteme, in denen sie in einer Kaskade von Reaktionen schlie\u00dflich den universellen Energietr\u00e4ger Adenosintriphosphat (ATP) und sogenannte Reduktions\u00e4quivalente (NADPH) hervorbringen. ATP und NADPH werden anschlie\u00dfend ben\u00f6tigt, um CO2<\/sub> zu fixieren und Zucker zu produzieren. Die f\u00fcr die Wasserstoffproduktion ben\u00f6tigten Elektronen sind also normalerweise Teil von Stoffwechselprozessen, die den Cyanobakterien gespeicherte Energie in Form von Zucker zur Verf\u00fcgung stellen. Das Kieler Forschungsteam hat einen Ansatz entwickelt, um diese Elektronen umzuleiten und den Stoffwechsel der lebendigen Organismen prim\u00e4r zur Herstellung von Wasserstoff anzuregen.<\/p>\n

\u201eDas von uns untersuchte Cyanobakterium nutzt ein Enzym, die sogenannte Hydrogenase, um den Wasserstoff aus Protonen und Elektronen zu gewinnen\u201c, sagt Gutekunst, die auch Mitglied im CAU-Forschungsverbund Kiel Plant Center (KPC) ist. \u201eDie Elektronen stammen dabei aus der Photosynthese. Uns ist es gelungen, die Hydrogenase so an das sogenannte Photosystem I zu fusionieren, dass die Elektronen bevorzugt f\u00fcr die Wasserstoffproduktion genutzt werden, w\u00e4hrend der normale Stoffwechsel in geringerem Umfang weiterl\u00e4uft\u201c, so Gutekunst weiter. Auf diesem Weg stellt das ver\u00e4nderte Cyanobakterium deutlich mehr solaren Wasserstoff her als in bisherigen Experimenten.<\/p>\n

F\u00e4higkeit zur Selbstreparatur<\/h3>\n

\u00c4hnliche Ans\u00e4tze zur Wasserstoffproduktion mit Fusionen aus Hydrogenase und Photosystem existierten bereits in vitro, also au\u00dferhalb von lebenden Zellen im Reagenzglas oder auf Elektrodenoberfl\u00e4chen in photovoltaischen Zellen. Problematisch ist dabei allerdings, dass diese k\u00fcnstlichen Ans\u00e4tze 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 gro\u00dfen Vorteil, potenziell unbegrenzt zu funktionieren. \u201eDer Stoffwechsel der lebenden Cyanobakterien repariert und vervielf\u00e4ltigt 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\u201c, betont Projektleiterin Gutekunst. \u201eMit unserem in vivo Ansatz ist es erstmals gelungen, eine solare Wasserstoffproduktion \u00fcber eine Fusion aus Hydrogenase und Photosystem in der lebenden Zelle zu realisieren\u201c, so Gutekunst weiter.<\/p>\n

Eine Herausforderung besteht im Moment noch darin, dass die Hydrogenase in Anwesenheit von Sauerstoff deaktiviert wird. Die in den lebendigen Zellen weiterhin ablaufende \u201anormale\u2019 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 f\u00fcr die Wasserstoffproduktion momentan teilweise auf die sogenannte anoxygene Photosynthese umgestellt. Sie basiert jedoch nicht auf Wasserspaltung. Zurzeit stammen die Elektronen f\u00fcr die Wasserstoffproduktion daher teilweise aus der Wasserspaltung und teilweise aus anderen Quellen. Langfristiges Ziel des Kieler Forschungsteams ist es aber, ausschlie\u00dflich Elektronen aus der Wasserspaltung f\u00fcr die Wasserstoffgewinnung zu nutzen.<\/p>\n

Konzepte f\u00fcr die Energie der Zukunft<\/h3>\n
\"\u00a9
\u00a9 Jolanda Z\u00fcrcher
Die Nachwuchsforschungsgruppe \u201aBioenergetik in Photoautotrophen\u2019 an der CAU betreibt Grundlagenforschung f\u00fcr eine k\u00fcnftige klimaneutrale Wasserstoffwirtschaft.<\/figcaption><\/figure>\n

Der neue in vivo Ansatz bietet insgesamt eine vielversprechende neue Perspektive, um die photosynthetische Wasserspaltung zur Produktion von klimaneutralem, gr\u00fcnen 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. \u201eDie Arbeiten unserer Kollegin sind ein ausgezeichnetes Beispiel daf\u00fcr, wie die Grundlagenforschung an Pflanzen und Mikroorganismen zur L\u00f6sung gesellschaftlicher Herausforderungen beitragen kann\u201c, betont KPC-Sprecherin Professorin Eva Stukenbrock. \u201eDamit leisten wir in Kiel einen wichtigen Beitrag dazu, eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft als echte Alternative f\u00fcr eine sichere Energieversorgung der Zukunft zu entwickeln\u201c, so Stukenbrock weiter.<\/p>\n

Weitere Informationen:<\/h3>\n

Bioenergetik in Photoautotrophen, Botanisches Institut, CAU Kiel:
\nwww.biotechnologie.uni-kiel.de\/de\/forschung\/nachwuchsgruppe-bioenergetik-in-photoautotrophen\/nachwuchsgruppe-bioenergetik-in-photoautotrophen<\/a><\/p>\n

Forschungszentrum Kiel Plant Center (KPC), CAU Kiel:
\nwww.plant-center.uni-kiel.de<\/a><\/p>\n

Nature Energy ‘News & Views’ – Hydrogen comes alive:
\nhttps:\/\/rdcu.be\/b3WBZ<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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