Die photosyntetische Wasserstoffproduktion mithilfe von Cyanobakterien zu verbessern – dafür hat ein Forschungsteam der Universität Kassel, der Ruhr-Universität Bochum und der Universidade Nova Lissabon (Portugal) eine Methode entwickelt. Die Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition, könnte einen Beitrag zur Gewinnung sauberer Energie leisten.

Cyanobakterien (umgangssprachlich auch „Blaualgen“) sind unter bestimmten Bedingungen in der Lage, Wasserstoff zu produzieren und dabei auf die Photosynthese zurückzugreifen – ein vielversprechender Ansatz für die Gewinnung sauberer Energie. Allerdings hemmt der bei der Photosynthese entstehende Sauerstoff die Aktivität bestimmter Enzyme, sogenannter Hydrogenasen, die für die Wasserstoffproduktion nötig sind. Bisherige Ansätze zur Sauerstoffentfernung waren entweder ineffizient oder erforderten den Einsatz zusätzlicher Chemikalien und Kohlenhydrate, was die Nachhaltigkeit des Prozesses beeinträchtigte.

Elektrochemischer Schutz ermöglicht kontinuierliche Wasserstoffproduktion

Das Team um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann aus Bochum, Prof. Dr. Kirstin Gutekunst aus Kassel und Dr. Felipe Conzuelo aus Lissabon haben nun eine Lösung gefunden: Durch die Integration von Cyanobakterien-Mutanten in ein spezielles Redoxpolymer, das auf einer Elektrode abgeschieden ist, können die Zellen vor Sauerstoff geschützt werden. Das Polymer enthält Viologengruppen, die durch Anlegen eines elektrischen Potentials reduziert werden und so den Sauerstoff in der Umgebung der Zellen effizient abbauen.
Das System schafft eine sauerstofffreie Mikroumgebung direkt um die Zellen herum, sodass die Hydrogenasen aktiv bleiben und kontinuierlich Wasserstoff produzieren können. „Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigen und skalierbaren biotechnologischen Wasserstoffproduktion“, heißt es aus dem Forschungsteam.

Genetisch optimierte Cyanobakterien steigern Effizienz

Besonders erfolgreich war der Einsatz genetisch modifizierter Cyanobakterien. In diesen Mutanten ist die Hydrogenase genetisch direkt an das sogenannte Photosystem I der Photosynthese gekoppelt. Diese Mutanten zeigten eine deutlich längere und stabilere Wasserstoffproduktion im Vergleich zu Wildtyp-Zellen im Polymer.

Zukunftsperspektive: Biophotovoltaik für die Produktion von grünem Wasserstoff

Die Ergebnisse der Studie eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung biophotovoltaischer Systeme, die Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umwandeln. „Unser Ansatz kombiniert die Vorteile lebender Zellen – wie Selbstreparatur und Langlebigkeit – mit der Präzision elektrochemischer Systeme“, sagt Prof. Gutekunst.
Zum Forschungsteam gehörten neben den Arbeitsgruppenleitungen auch Dr. Panpan Wang aus Bochum und Florian Paul, Dr. Marko Böhm und Dr. Jens Appel aus Kassel. Die Forschung wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die Dietmar-Hopp-Stiftung gefördert.