Neben Elektrizität gilt Wasserstoff als vielversprechende alternative Energiequelle der Zukunft. Aufgrund der aufwändigen und energieintensiven Herstellung spielt sie im Vergleich zu Elektrizität bisher aber nur eine untergeordnete Rolle. Ein internationales Forschungsteam der University of Bristol (England) und des Harbin Institute of Technology (China) haben nun eine neue Methode zur Herstellung von Wasserstoff vorgestellt: Mit „winzigen mikrobiellen Fabriken auf Tröpfchenbasis“. Diese „Fabriken“ sind Algen, die Wasserstoff anstelle von Sauerstoff produzieren, wenn sie dem Tageslicht in der Luft ausgesetzt sind.
Sauerstoffmangel als Schlüssel
Normalerweise nehmen Algenzellen Kohlendioxid auf wandeln dieses per Photosynthese in Sauerstoff um. In der Studie wurden mit lebenden Algenzellen gepackte zuckerhaltige Tröpfchen verwendet, um durch Photosynthese Wasserstoff statt Sauerstoff zu erzeugen. Für sein Projekt hat das Team, bestehend aus Professor Stephen Mann und Dr. Mei Li von der Bristol School of Chemistry und Professor Xin Huang und Kollegen vom Harbin Institute of Technology, in zuckerhaltigen Tröpfchen rund 10.000 Algenzellen eingefangen. Diese Tröpfchen wurden dann durch osmotische Kompression verdichtet. So sammelten sich die Algen im Zentrum an, wo die Sauerstoffkonzentration sehr gering ist.
Durch diesen Sauerstoffmangel wurden in den Algen spezielle Enzyme, so genannte Hydrogenasen, aktiv. Diese setzten den Photosyntheseprozess in Gang, indem die Algen den Sauerstoff aus dem Wasser aufnahmen, um den Mangel auszugleichen. Übrig blieb Wasserstoff. „Auf diese Weise konnten etwa eine Viertelmillion mikrobieller Fabriken, die typischerweise nur einen Zehntel Millimeter groß waren, in einem Milliliter Wasser präpariert werden“, sagen die Forscher. Um die Wasserstoffproduktion zu beschleunigen, nutzten die Wissenschaftler eine dünne Schicht aerober Bakterien, die in den Tröpfchen die Zahl der Algenzellen erhöhte.
Einfache und flexible Methode
Noch befindet sich die Arbeit in einem frühen Stadium, nach Aussagen der Wissenschaftler stellt sie aber einen Schritt in Richtung einer photobiologischen Entwicklung grüner Energie unter natürlichen aeroben Bedingungen dar. „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“, erklärt Professor Stephen Mann, Co-Direktor des Max Planck Bristol Centre for Minimal Biology.
Außerdem sei die Methode einfach und sollte „ohne Beeinträchtigung der Lebensfähigkeit der lebenden Zellen skalierbar sein“, betont Professor Xin Huang vom Harbin Institute of Technology. „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 für die Ethanolproduktion verwendet.“
Das Team hat die Ergebnisse seiner Forschungen in dem Artikel Photosynthetic hydrogen production by droplet-based microbial micro-reactors under aerobic conditions im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.
Titelbild: Elektronenmikroskopische Aufnahme eines dicht gepackten Tröpfchens wasserstoffproduzierender Algenzellen. Maßstabsbalken, 10 Mikrometer. © Prof. Xin Huang, Harbin Institute of Technology
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