Wissenschaftler der Universität Oxford haben einen Fortschritt bei der mikrobiellen Produktion von grünem Wasserstoff erzielt. Das Team um Professor Wei Huang entwickelte Bakterien zu biologischen Nano-Reaktoren weiter. Diese Bakterien spalten Wasser mithilfe von Sonnenenergie und erzeugen dabei Wasserstoff.
Die industrielle Wasserstoffproduktion setzt derzeit pro Kilogramm Wasserstoff zwischen 11,5 und 13,6 Kilogramm CO₂ frei. Die neue Methode der Universität Oxford könnte dies ändern, denn sie soll CO₂-neutral arbeiten und ohne teure Edelmetall-Katalysatoren auskommen, wie sie in Elektrolyseuren Anwendung finden. Wird ein Elektrolyseur mit erneuerbarem Strom betrieben, läuft dieser auch CO₂-frei. Allerdings entstehen heute nur rund 4 Prozent des globalen Wasserstoffs auf diese Weise.
Professor Wei Huang (© Universität Oxford)
Professor Wei Huang erklärte: „Derzeit basieren die meisten kommerziell genutzten Katalysatoren für die Produktion von grünem Wasserstoff auf teuren Metallen. Unsere neue Studie hat eine überzeugende Alternative in Form eines robusten und effizienten Biokatalysators aufgezeigt. Dieser bietet die Vorteile größerer Sicherheit, Erneuerbarkeit und geringerer Produktionskosten, was die langfristige wirtschaftliche Rentabilität verbessern kann.”
Bakterien als effiziente Biokatalysatoren
In der Natur können bestimmte Mikroorganismen mit Hilfe von Hydrogenase-Enzymen Protonen (H+) zu Wasserstoff reduzieren. Dies ist aufgrund von Einschränkungen wie z. B. einer geringen Elektronenübertragungsrate jedoch auf geringe Erträge beschränkt. Dieser Umstand verhinderte bisher, dass Mikroorganismen als effektive Wasserstoffkatalysatoren eingesetzt werden können.
Um dies zu überwinden, haben die Forschenden das Bakterium Shewanella oneidensis genetisch verändert. Dazu konzentrierten sie Elektronen, Protonen und das Enzym Hydrogenase im Periplasma – dem Raum zwischen innerer und äußerer Zellmembran (der etwa 20-30 nm breit ist). Diese Spezies ist „elektroaktiv“, das heißt, sie kann Elektronen auf oder von festen Oberflächen außerhalb ihrer Zellen übertragen.
Lichtaktivierte Elektronenpumpe
Um den Elektronen- und Protonentransfer zu verbessern, baute das Team eine lichtaktivierte Elektronenpumpe (Gloeobacter rhodopsin) in die innere Membran ein. Diese ist nun in der Lage, in Gegenwart von Licht effizient Protonen in das Periplasma zu pumpen. Das Gloeobacter-Rhodopsin selbst wurde durch die Einführung des Pigments Canthaxanthin (das Lichtenergie absorbiert) so verändert, dass es die Protonenpumpen verstärkt. Dafür nimmt es zusätzliche Photonenenergie aus dem Sonnenlicht auf.
Das Team optimierte zudem die Elektronenübertragung durch Nanopartikel aus reduziertem Graphenoxid und Eisensulfat. Im Vergleich zu nicht modifizierten Bakterien stieg die Wasserstoffproduktion dadurch um das Zehnfache. Die räumliche Nähe der Reaktionspartner im Periplasma senke dabei den Energiebedarf.
In diesem Projekt haben die Wissenschaftler Bakterien als Biokatalysatoren entwickelt, um Wasser zu spalten und Wasserstoff zu erzeugen. (© Universität Oxford)
„Künstliche Blätter” produzieren Wasserstoff
Die Wissenschaftler planen, die modifizierten Bakterien auf Kohlefasergewebe aufzubringen. Den Forschenden zufolge lässt sich das System auf die Herstellung „künstlicher Blätter“ ausdehnen, wobei die künstlichen Zellen auf Kohlefasergewebe gedruckt werden. Wenn diese künstlichen Blätter dem Sonnenlicht ausgesetzt werden, würden sie sofort Wasserstoff produzieren.
Die Arbeit wurde unter dem Titel „Engineering bionanoreactor in bacteria for efficient hydrogen production“ in Proceedings of the National Academy of Science veröffentlicht. Der wissenschaftliche Erfolg führte zu einer Folgefinanzierung durch UK Research and Innovation (UKRI) und die Wissenschafts- und Technologieagentur (JST) in Japan, um neue künstliche photosynthetische Zellsysteme zur Verbesserung der grünen Biotechnologie weiterzuentwickeln.
