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Grüne Energie aus dem Labor: Kasseler Forscher wollen einem Bakterium Wasserstoff abgewinnen

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Von: Katja Rudolph

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Kulturen von Cyanobakterien in einem Spezialschrank mit Tag-Nacht-Rhythmus an der Uni Kassel.
Kulturen von Cyanobakterien in einem Spezialschrank mit Tag-Nacht-Rhythmus an der Uni Kassel. © Uni Kassel

Grüner Wasserstoff gilt als Schlüsselelement für die Energiewende. In Laboren der Universität Kassel wird Wasserstoff wirklich grün erzeugt: aus in der Natur vorkommenden Bakterien. Sie könnten ein Baustein für die Energieversorgung der Zukunft sein.

Kassel – Cyanobakterien, im Volksmund als Blaualgen bekannt, haben nicht den besten Ruf. Im Sommer trüben sie mitunter in Seen die Badefreuden. Denn bei Hitze und Trockenheit können sie sich massenhaft vermehren und einen grün-blauen Film auf dem Wasser bilden, der für Badende gesundheitsschädlich ist.

Dabei hat die Menschheit den Cyanobakterien viel zu verdanken. Vor rund drei Milliarden Jahren haben die Einzeller sozusagen die Photosynthese erfunden, bei der erstmalig Sauerstoff entstanden ist – und damit die Voraussetzung für höheres Leben auf der Erde.

Auf diesen Prozess ist die Kasseler Professorin Kirstin Gutekunst spezialisiert: Die Pflanzenphysiologin beschäftigt sich mit der Bioenergie sogenannter phototropher Organismen – also der Lebewesen, die Sonnenenergie für ihren Stoffwechsel nutzen. Dabei interessiert sie sich vor allem für Cyanobakterien.

Gutekunst und ihr Team wollen dem Bakterium dazu verhelfen, erneut einen entscheidenden Beitrag für unseren Planeten zu leisten, der durch den menschengemachten Klimawandel bedroht ist. Cyanobakterien produzieren im Zuge ihrer Photosynthese nämlich Wasserstoff. Und Wasserstoff (H2) ist derzeit ein gefragtes Element für die Energiewende – also die Bemühungen von Erdgas, Öl und Kohle wegzukommen. Wasserstoff lässt sich in Brennstoffzellen zusammen mit Sauerstoff in Strom und Wärme umwandeln. Dabei entsteht als Beiprodukt nur Wasser und kein CO2.

Allerdings ist die herkömmliche Herstellung von Wasserstoff, für die Wasser gespalten werden muss, sehr energieintensiv. Derzeit arbeiten Forscher weltweit daran, Wasserstoff mithilfe von Erneuerbaren Energien emissionsfrei und damit wirklich „grün“ herzustellen. Auch Cyanobakterien liefern grünen Wasserstoff, wobei die Bezeichnung nichts mit ihrer grünlichen Färbung zu tun hat. Sondern mit der nachhaltigen Produktion, die in diesem Fall ganz natürlich abläuft: Denn die Bakterien geben im Zuge ihres Stoffwechsels von ganz allein Wasserstoff ab. Dafür sind sie mit einem Enzym namens Hydrogenase ausgestattet, das wie ein Katalysator die Reaktion beschleunigt.

Die Kasseler Forscherin versucht, den Cyanobakterien ihren Wasserstoff gewissermaßen im Halbschlaf abzugewinnen. Immer dann nämlich, wenn morgens oder nach längerer Dunkelheit wieder Licht einfällt, müssen die Prozesse in der Zelle erst wieder anlaufen – genauer gesagt, der mit der Photosynthese einhergehende Kohlenhydratstoffwechel. In dieser Übergangsphase, in der die Zelle aus der Sonnenenergie noch keinen Zucker herstellen kann, wird stattdessen Wasserstoff freigesetzt. „Das ist wie eine Art Überlaufventil“, sagt Gutekunst.

Dieses Zeitfenster dauert in der Natur lediglich ein bis zwei Minuten. Das Kasseler Forscherteam hat die Bakterien daher genetisch manipuliert und die Hydrogenase als Wasserstoff-Katalysator direkt am Photosynthese-Komplex der Zelle fixiert. So ist es gelungen, das „Aufwachfenster“ und damit die Wasserstoff-Freisetzung auf mehrere Stunden auszudehnen.

Bis die Gewinnung von Bioenergie aus Bakterien Realität werden könnte, müssen Kirstin Gutekunst und ihr Team aber noch einige Probleme lösen. Unter anderem ist die Hydrogenase sehr sauerstoffempfindlich, und die Transportprozesse zwischen Photosynthese-Komplex und Hydrogenase müssen noch beschleunigt werden. Dafür experimentiert das Team in den Laborräumen in Oberzwehren mit verschiedenen Hydrogenase-Mutationen, Bakterienstämmen und Umweltbedingungen.

Die Vision ist, dass Cyanobakterien eines Tages in Bioreaktoren Wasserstoff produzieren. Wie viel Energie sich damit produzieren ließe, sei schwer abzuschätzen, sagt Gutekunst. Sie hofft auf einen „nennenswerten Beitrag“ zur Energieversorgung. So oder so lohne sich die Forschung, um die komplexen Stoffwechselprozesse noch besser zu verstehen, betont die Biologin. Die Aussicht, dass die Erkenntnisse sich auch praktisch nutzen lassen, motiviert sie zusätzlich bei ihrer Arbeit. „Wir können es uns nicht leisten, das nicht zu versuchen.“ (Katja Rudolph)

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