Schritt zur nachhaltigen Wasserstoffproduktion mit Cyanobakterien

Cyanobakterien (umgangssprachlich auch „Blaualgen“) sind unter bestimmten Bedingungen in der Lage, Wasserstoff zu produzieren und dabei auf die Fotosynthese zurückzugreifen – ein vielversprechender Ansatz für die Gewinnung sauberer Energie. Allerdings hemmt der bei der Fotosynthese 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.

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 hat 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 Potenzials 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 Fotosynthese gekoppelt. Diese Mutanten zeigten eine deutlich längere und stabilere Wasserstoffproduktion im Vergleich zu Wildtyp-Zellen im Polymer. 

Biofotovoltaik für die Produktion von grünem Wasserstoff 

Die Ergebnisse der Studie eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung biofotovoltaischer Systeme, die Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umwandeln. „Unser Ansatz kombiniert die Vorteile lebender Zellen – wie Selbstreparatur und Langlebigkeit – mit der Präzision elektrochemischer Systeme“, sagt Kirstin Gutekunst.