UFZ-Newsletter Dezember 2015

2 UFZ-Newsletter | Dezember 2015 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ Lieber Wasserstoff als Biomasse Der Stoffwechsel der Cyanobakterien ist wie bei allen Lebewesen auf Selbsterhalt optimiert. Sie nutzen das Sonnenlicht vor allem für Vermehrung und Wachstum, produzieren also Biomasse. Die natürlichen Wirkungsgrade von unter einem bis maximal drei Prozent reichen dazu völlig aus. Den UFZ-Forschern ist das viel zu wenig. Zudem wünschen sie sich Wasserstoff und weniger Biomasse. Dies zu erreichen, verlangt ein tieferes Verständnis der Photo- synthese in Cyanobakterien, also Grundla- genforschung: Zunächst muss verstanden werden, wie die Physiologie dieser Bakterien reguliert wird. Erst dann kann eine gezielte Verschiebung des Stoffwechsels zugunsten der Wasserstoff-Erzeugung initiiert werden. Ganz im Dunkeln tappen die Wissenschaftler allerdings nicht. Gut verstanden sind die einzelnen Schritte, mit denen Cyanobakteri- en das Sonnenlicht absorbieren. Die aufge- nommene Energie nutzen sie zur Spaltung von Wassermolekülen. So werden Elektro- nen und „biologische Energie“ in Form von ATP (Adenosintriphosphat) bereitgestellt und für den Aufbau organischer Substanzen mit Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle ver- wendet. Das ist die Grundlage für Wachstum und Vermehrung. Ziel der Forscher ist es nun, diesen letzten Schritt mithilfe eines Enzyms, der Hydrogenase, zugunsten der Wasserstoff-Erzeugung zu beeinflussen. So zählt E. coli heute zu den wichtigsten Produzenten in der Biotechnologie und liefert nach gentechnischen Veränderun- gen Hormone, Wirkstoffe oder Feinche- mikalien in industriellen Bioreaktoren. Cyanobakterien sind von diesem Stadium noch weit entfernt. Doch sie haben, laut Schmid, das theoretische Potenzial, über die Photosynthese Wasserstoff mit einem hohen Wirkungsgrad von etwa 40 Prozent zu erzeugen. Daher könne mit ihnen aus der Energie des Sonnenlichts weitaus effizienter Wasserstoff erzeugt werden als mit diversen Ansätzen einer künst- lichen Photosynthese, die von anderen Forschergruppen verfolgt werden. Dazu zählen zum Beispiel Verfahren, die mithilfe anorganischer Katalysatoren und Sonnen- licht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Oder auch Prozesse, bei denen mit Strom, der in Photovoltaikan- lagen gewonnen wird, wasserspaltende Elektrolysen betrieben werden. Trotz der dabei bereits realisierten Wirkungsgrade um 15 Prozent sieht Andreas Schmid in diesen Verfahren keine Konkurrenz – vor allem wegen der langen Transportwege des Wasserstoffs. Sein Ansatz sei deshalb dezentral. Der Wasserstoff wird direkt dort produziert, wo er gebraucht wird. Doch von einer prognostizierten 40-Prozent-Effizienz sind alle Wissenschaftler weltweit noch weit entfernt. Grelles Licht scheint auf das kleine Be- cherglas mit einer grünlichen Flüssigkeit. In diese hat Babu Halan zwei Elektroden eingetaucht und schaut gespannt auf einen Monitor. „50 Mikroampere Stromstärke bei einigen Millivolt Spannung“, sagt der promovierte Ingenieur und ist begeistert. Völlig zu Recht, denn dieser noch beschei- dene Stromfluss weist den Weg hin zu einer nachhaltigen und klimaschonenden Ener- gieerzeugung mit einem heute noch nicht absehbaren Potenzial. Cyanobakterien – wie Grünpflanzen fähig zur Photosynthese – stehen im Mittelpunkt dieser Zukunft. Sie nutzen für ihren Stoffwechsel das natür- liche Sonnenlicht, spalten dabei Wasser- moleküle und fixieren Kohlenstoff aus dem Treibhausgas Kohlendioxid. Daher eignen sie sich als lebende Katalysatoren für die regenerative Erzeugung des Energieträgers Wasserstoff. Auch für den von Halan ge- messenen Strom sind sie verantwortlich. Bioartifizielle Photosynthese mit Cyanobakterien Cyanobakterien sind bei weitem nicht so umfassend erforscht wie etwa die „Haustiere“ der Biotechnologie – das Bakterium Escherichia coli und die Bäcker- hefe Saccharomyces cerevisiae. „Unser Wissen über Cyanobakterien hinkt dem über E. coli um Jahrzehnte hinterher“, sagt UFZ-Biotechnologe Prof. Andreas Schmid. Photosynthese für eine nachhaltige Energieversorgung

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