Lebende Tröpfchen produzieren Wasserstoff

Photobiologische grüne Energieerzeugung unter natürlichen aeroben Bedingungen – alternative Energiequelle der Zukunft?

Wissenschaftler haben winzige mikrobielle Fabriken auf Tröpfchenbasis erzeugt, die Wasserstoff anstelle von Sauerstoff produzieren, wenn sie an der Luft dem Tageslicht ausgesetzt sind – so eine Medienmitteilung vom 25.11.2020. Die Ergebnisse des internationalen Forschungsteams der Universität von Bristol und des Harbin Institutes of Technology in China wurden am 25.11.2020 in Nature Communications veröffentlicht.

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines dicht gepackten Tröpfchens wasserstoffproduzierender Algenzellen – Maßstab: 10 Mikrometer – Bild © Xin Huang, Harbin-Institut für Technologie

Normalerweise fixieren Algenzellen Kohlendioxid und produzieren Sauerstoff durch Photosynthese. In der Studie wurden mit lebenden Algenzellen gepackte zuckerhaltige Tröpfchen verwendet, um durch Photosynthese Wasserstoff statt Sauerstoff zu erzeugen.

Wasserstoff ist zwar potenziell ein klimaneutraler Brennstoff, der als zukünftige Energiequelle viele Einsatzmöglichkeiten bietet. Ein großer Nachteil ist jedoch, dass die Herstellung von Wasserstoff hohem Energieaufwand verbunden ist, so dass nach grünen Alternativen gesucht wird – und diese Entdeckung einen wichtigen Schritt nach vorn bedeuten könnte.

Das Team, bestehend aus Prof. Stephen Mann und Mei Li von der Bristol’s School of Chemistry zusammen mit Prof. Xin Huang und Kollegen vom Harbin Institute of Technology in China, fing in jedem Tropfen etwa 10.000 Algenzellen ein, die dann durch osmotische Kompression zusammengepresst wurden. Durch das Einschließen der Zellen im Inneren der Tröpfchen sank der Sauerstoffgehalt auf ein Niveau, das spezielle Enzyme, so genannte Hydrogenasen, einschaltete, die den normalen Photosyntheseweg zur Wasserstoffproduktion nutzten. Auf diese Weise konnten etwa eine Viertelmillion mikrobieller Fabriken, die typischerweise nur einen Zehntel Millimeter groß waren, in einem Milliliter Wasser präpariert werden.

Um die Entwicklung des Wasserstoffs zu beschleunigen, beschichtete das Team die lebenden Mikroreaktoren mit einer dünnen Hülle aus Bakterien, die in der Lage waren, nach Sauerstoff zu suchen und so die Anzahl der Algenzellen zu erhöhen, die auf die Hydrogenase-Aktivität ausgerichtet sind. Obwohl sich die Arbeit noch in einem frühen Stadium befindet, stellt sie einen Schritt in Richtung einer photobiologischen Entwicklung grüner Energie unter natürlichen aeroben Bedingungen dar.

Professor Stephen Mann, Co-Direktor des Max-Planck-Zentrums für Minimalbiologie in Bristol, sagte: “Die Verwendung einfacher Tröpfchen als Vektoren zur Steuerung der Organisation von Algenzellen und der Photosynthese in synthetischen Mikroräumen bietet einen potenziell umweltfreundlichen Ansatz für die Wasserstoffproduktion, den wir hoffentlich in künftigen Arbeiten entwickeln werden.

Professor Xin Huang vom Harbin Institute of Technology fügte hinzu: “Unsere Methodik ist einfach und sollte ohne Beeinträchtigung der Lebensfähigkeit der lebenden Zellen skalierbar sein. Sie scheint auch flexibel zu sein; zum Beispiel haben wir vor kurzem eine große Anzahl von Hefezellen in den Tröpfchen eingefangen und die mikrobiellen Reaktoren zur Ethanolproduktion verwendet”.

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