Intelligenter Sauerstoff-Schutz steigert Wasserstoffausbeute bei Blaualgen

Die Forscher haben ein elektrochemisches System entworfen, das empfindliche Enzyme innerhalb der Cyanobakterien während der Photosynthese vor Sauerstoffschäden schützt.

Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International Edition" veröffentlicht und könnten zukünftige erneuerbare Wasserstofftechnologien maßgeblich unterstützen. Wasserstoff hat sich zu einem zentralen Schwerpunkt im globalen Sektor für saubere Energie entwickelt.

Regierungen und Unternehmen, insbesondere in den Vereinigten Staaten, investieren massiv in kohlenstoffarme Wasserstoffsysteme für den Verkehr, die Fertigung, die Luftfahrt und die Stromerzeugung. Die Herstellung bleibt jedoch nach wie vor teuer und technisch anspruchsvoll.

Technik, Energie und Einsatz

Cyanobakterien, die umgangssprachlich oft als Blaualgen bezeichnet werden, führen unter natürlichen Bedingungen die Photosynthese mit Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid durch. Unter bestimmten Bedingungen sind sie zudem in der Lage, Wasserstoffgas zu produzieren.

Diese Fähigkeit macht sie für die Forschung im Bereich erneuerbarer Energien attraktiv, da sie nicht auf traditionelle industrielle Brennstoffquellen angewiesen sind. Das entscheidende Problem liegt jedoch im Sauerstoff.

Während der Photosynthese geben Cyanobakterien Sauerstoff ab, der die für die Wasserstoffproduktion zuständigen Hydrogenase-Enzyme schnell schädigt. Forscher kämpfen seit Jahren mit diesem inneren Widerspruch. Bestehende Verfahren erfordern oft den Einsatz zusätzlicher Chemikalien oder externer Kohlenstoffquellen, um den Sauerstoff zu entfernen.

Was die Studie zeigt

Diese Ansätze erhöhen die Kosten und mindern die Nachhaltigkeit. Einige Systeme verbrauchen zudem zusätzlichen Energieaufwand, was großflächige Anwendungen einschränkt. Die neue Studie stellt eine alternative Lösung vor, die viele dieser Nachteile vermeidet.

Als Schutzmechanismus haben Wissenschaftler der Universität Kassel, der Ruhr-Universität Bochum und der NOVA University Lisbon Cyanobakterien-Zellen in ein speziell entwickeltes Redox-Polymer eingebettet, das an einer Elektrode befestigt ist. Das Polymer enthält Viologen-Gruppen, die reagieren, sobald Forscher ein elektrisches Potential anlegen.

Diese Reaktion entfernt Sauerstoff direkt in der Umgebung der Zellen und schafft so eine lokal sauerstofffreie Zone. Durch den Schutz der Hydrogenasen vor Sauerstoffexposition können die Enzyme deutlich länger aktiv bleiben.

Was die Studie zeigt

Die Anordnung ermöglichte eine kontinuierliche Wasserstoffproduktion, während die Mikroorganismen unter Lichteinwirkung weiterhin Photosynthese durchführten. Die Forscher beschreiben den Prozess als einen wichtigen Schritt hin zur skalierbaren biologischen Wasserstoffproduktion.

Im Gegensatz zu konventionellen Wasserstoffsystemen stützt sich die Anlage auf lebende Organismen, die sich im Laufe der Zeit können. „Unser Ansatz vereint die Vorteile lebender Zellen mit der Präzision elektrochemischer Systeme", sagte Professorin Dr. Kirstin Gutekunst ät Kassel.

Sie ergänzte, dass diese Technologie zukünftige Biophotovoltaik-Systeme dabei unterstützen könnte, Sonnenlicht effizienter direkt in Wasserstoff umzuwandeln. Das Team hat zudem Cyanobakterien genetisch modifiziert, um die Leistung weiter zu optimieren.

Was die Studie zeigt

Die Forscher verknüpften Wasserstoffase-Enzyme direkt mit Photosystem I, einem zentralen Bestandteil der Photosynthese. Diese gentechnisch veränderten Stämme erzeugten Wasserstoff gleichmäßiger und über längere Zeiträume hinweg als natürliche Cyanobakterien innerhalb desselben Polymersystems.

Wissenschaftler glauben, dass die Ergebnisse zur Entwicklung nächsten Generation beitragen können, die Biologie und Elektrochemie kombinieren, um sauberer Wasserstoff zu produzieren. Die Studie wurde im Fachjournal „Angewandte Chemie International Edition" veröffentlicht.