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Einige Mikroalgen können die Ener-gie des Sonnenlichtes nutzen, umWasser, wie bei der Elektrolyse, inWasserstoff und Sauerstoff zu zer-legen. Im vergangenen Jahr wurdenvor allem in den USA Forschungser-gebnisse erzielt, welche einer mög-lichen technischen Anwendung derbiosolaren Wasserstoffgewinnungneuen Auftrieb verleihen.

Die weltweiten zugänglichenReserven an Energierohstof-fen sind beschränkt. Die

Vorräte an nicht erneuerbaren Ener-gierohstoffen wie Kohle, Erdöl, Erdgasund Kernbrennstoffe wird auf rund32400 x 1018 Joule (Etajoule) ge-schätzt. Dieser Betrag erscheintzunächst groß, wird aber erstaunlichklein, wenn man ihr den gegenwärtigenWeltenergieverbrauch von 390 Etajou-le pro Jahr gegenüberstellt. Steinkohlewird voraussichtlich noch für 150 Jahrereichen, Erdöl, Erdgas und Uran dage-gen werden schon in rund 50 Jahre ver-braucht sein. In zunehmendem Maßewird Wasserstoff als ein ökologischverträglicher und ökonomisch reali-sierbarer Energieträger diskutiert [1].Mit vielen Pilotprojekten zeigt die In-dustrie ihre Entschlossenheit, an derEtablierung eines neuen Energiezeital-ters mitzuwirken: wasserstoffbetriebe-ne Busse in Erlangen, ein Brennstoff-zellen-Blockheizkraftwerk in Ham-burg, wasserstoffbetriebene Pkws vonDaimler-Chrysler, BMW u.a., z.B. aufdem neuen Münchener Flughafenu.v.m.

Wasserstoff ist aber nur ein Energie-träger: zu seiner Gewinnung wird En-ergie verbraucht. Aufgrund seinergroßen Reaktionsfreudigkeit kommtWasserstoff auf der Erde kaum unge-bunden vor und es gibt somit keinenatürlichen Lagerstätten, die erschlos-sen werden könnten. Daher muss derWasserstoff über energieaufwendigeZerlegungsverfahren aus seinen Ver-

bindungen gewonnen werden. Klassi-scher Weise wird die Erzeugung unterEinsatz von Primär- oder von Sekun-därenergieträgern unterschieden. Dieprimärenergetische Wasserstofferzeu-gung erfolgt vor allem aus Kohlenwas-serstoffen, vorwiegend Erdgas, Erdölund Kohle. Die für die Zerlegung not-wendige Energie wird in der Regel au-

totherm durch die Verbrennung einesTeils des Einsatzenergieträgers bereit-gestellt. Über 96 % der gegenwärtigenweltweiten Wasserstoffproduktion vonrund 500 Mrd. m3 geht von fossilenPrimärenergieträgern aus, was rund 2 % des Weltenergiebedarfs entspricht.Die sekundärenergetische Erzeugungvon Wasserstoff erfolgt überwiegend

Biologische „Elektrolyse“ durch MikroalgenDr. Röbbe Wünschiers, Uppsala University, Dept. Physiol. Botany, Uppsala, Schweden

Abb. 1:Am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik der Universität Karlsruhe gewinntman mit Hilfe eines Mikroalgen-Bioreaktors mathematische Modelle des Wachstumsverhaltensvon Mikroalgen. Der Reaktor verfügt über eine Beleuchtungseinrichtung, die sich exakt hinsicht-lich Helligkeit, Farbe sowie Helligkeitsfluktuation steuern läßt. Ein Prozessleitsystem ermittelt onli-ne Druck, Temperatur, Gaszusammensetzung, pH-Wert sowie Biomasse (Foto: Kickuth).

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AUFSÄTZE

aus Elektrizität mittels der Elektrolyse.Die Elektrolyse ist von der Art des ein-gesetzten Primärenergieträgers unab-hängig und stellt somit das Standbeineiner zukünftigen regenerativen Was-serstoffenergiewirtschaft dar. So kannder Strom aus Wasser-, Gezeiten- oderWindkraftwerken zur Wasserstoffer-zeugung genutzt werden.! Einsatz von Sonnenenergie

Von besonderem Interesse ist die di-rekte Nutzung der Sonnenergie zurWasserstoffproduktion. Die derzeit do-minierende Technik zur solaren Was-serstoffgewinnung ist die Photovoltaik.Hierbei wird mit Hilfe von SolarzellenStrom erzeugt, der genutzt wird, umWasser elektrolytisch in Wasserstoff-und Sauerstoffgas zu zerlegen. In Formvon Wasserstoff ist die Energie desSonnenlichtes gebunden und kanntransportiert, gespeichert und mittelsBrennstoffzellen in elektrische Energierückverwandelt werden. Der Vorteilder Elektrolyse liegt auf der Hand: DasAusgangsmaterial Wasser bedecktüber 70 % der Erdkugel und das Reak-tionsprodukt der elektrokatalytischen(in Brennstoffzellen) oder direktenOxidation (in Wasserstoffbrennern)von Wasserstoff ist wiederum Wasser.Doch hat die solar-elektrolytischeWasserspaltung auch Nachteile. Vorallem die hohen Produktionskosten undder energetische Aufwand für die Her-stellung von Solarzellen führen dazu,dass diese Technik noch nicht kom-merziell, sondern nur in subventionier-

ten Pilotanlagen Anwendung findet.Die Gestehungskosten für 1 kWh gas-förmige Wasserstoffenergie betragenrund 5 Pfennig bei der Reformierungvon Wasserstoff, 40 Pfennig bei derElektrolyse unter Verwendung des der-zeitig vorherrschenden Strommixesund voraussichtlich rund 70 Pfennigbeim Einsatz von Solarstrom [2].! Wasserstoff und

MikroorganismenEine andere Möglichkeit, die Sonne-

nenergie zur Gewinnung von Wasser-stoff zu nutzen, bieten biologische Sy-stem. Den ersten Nachweis, dass Mi-kroorganismen Wasserstoff bildenkönnen, erbrachte der deutsche Bio-chemiker Ernst Felix ImmanuelHoppe-Seyler Ende des 19. Jahrhun-derts [3]. Die meisten Bakterien undPilze, erzeugen Wasserstoffgas im Zu-sammenhang mit Gärungsprozessen.Bei der Gärung werden energiereiche,meist organische Verbindungen unterEnergiefreisetzung oxidiert (Abb. 2).Die Elektronen werden dabei auf dasbiologisch universelle Redoxäquiva-lent NAD übertragen, das dadurch zuNADH reduziert wird. Ist annäherndalles NAD reduziert, so muss dasNADH wieder zu NAD oxidiert, alsoregeneriert werden. Mit der Vielfalt anMikroorganismen, die Substrate ver-gären können, finden wir auch eine ent-sprechende Vielfalt an Möglichkeiten,NADH zu regenerieren. Am häufigstenwerden die Endprodukte des energie-liefernden Oxidationsprozesses wieder

teilweise reduziert. Bei der alkoholi-schen Gärung wird beispielsweise Glu-kose in Acetaldhyd oxidiert, das dannzu Ethanol reduziert wird. Einige Bak-terien können aber auch Protonen mitNADH reduzieren, was zur Bildungvon Wasserstoff führt. Gärungsprozes-se laufen nur unter Sauerstoffaus-schluss (Anaerobiose) ab und findenz.B. in Klärwerken Anwendung. Dort„vergärt“ ein Arsenal von tausendenverschiedenen Bakterienarten tausendevon Kohlenstoffverbindung und produ-ziert dabei vornehmlich Kohlendioxid,Methan und Wasserstoff, ein Gemisch,das als Biogas bekannt ist.

Einige Mikroorganismen sind aberauch in der Lage, die Energie des Son-nenlichtes zur Produktion von Wasser-stoff zu verwenden und Wasser alsEdukt heranzuziehen: Algen und Cya-nobakterien. Die Umwandlung vonSonnenenergie in chemische Energieund die Spaltung von Wasser in Proto-nen und Elektronen erfolgt währendder Lichtreaktionen der Photosynthese.Die während der Photosynthese gebil-dete Reduktionskraft kann dann, unterbestimmten physiologischen Bedin-gungen, zur Reduktion von Protonenzu Wasserstoff verwendet werden.! Die Photosynthese

Grüne Pflanzen, Algen und einigeBakterienarten sind in der Lage, Photo-synthese zu betreiben. Dabei nutzen siedie Strahlungsenergie der Sonne, umendergonische Reaktionen anzutrei-ben, mit deren Hilfe die Strahlungs-energie in chemische Energie umge-wandelt wird und so dem Wachstumzur Verfügung steht. Auf diese Weisespeichern die photosynthetisch aktivenOrganismen weltweit ca. 3 x 1021 Joulepro Jahr in Form von Biomasse [4].Diese von den Pflanzen seit Jahrtau-senden gespeicherte Energie ist esauch, die wir derzeit in Form von fossi-len Energieträgern wie Kohle, Erdölund Erdgas nutzen.

Abb. 2: Bei der alkoholischenGärung wird Glukose

in Ethanol und Kohlen-dioxid umgewandelt.Rot unterlegt ist jene

Redoxreaktion, bei derdas NADH (Nikotina-

mid-Adenin-Dinukleot-id) regeneriert wird.

Einige Bakterien rege-nerieren NADH im

Zuge der Reduktionvon Protonen, wobeiWasserstoff entsteht

(untere Reaktionsglei-chung).

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Photosynthese

Der Gesamtprozess Photosyntheselässt sich in zwei funktionelle Teil-schritte zerlegen: die Licht- und dieDunkelreaktionen (Abb. 3). Währendder Lichtreaktionen wird das Licht vonden grünen Pflanzenfarbstoffen, denChlorophyllen, absorbiert [5, 6].Durch die Absorption eines Photonswird ein Chlorophyllmolekül vomGrundzustand (Chl.) in einen angereg-ten Zustand (Chl.*) überführt. Inner-halb des Chlorophyllmoleküls ge-schieht dies durch die Anhebung eines!-Elektrons der konjugierten Doppel-bindungen auf eine Schale mit höhe-rem Energieniveau !">!*-Übergang).Der angeregte Zustand des Chlorophy-lls ist extrem instabil. Das angeregteElektron ist bestrebt, möglichst schnell(Piko- bis Nanosekunden) wieder inden Grundzustand überzugehen. Diesgeschieht in der Regel entweder durchdie Abgabe von Wärme (Wärmedissi-pitation) oder die Abgabe eines Pho-tons (Fluoreszenz, Phosphoreszenz).In diesem Fall ist die Energie des ab-sorbierten Photons verloren. Eine wei-tere Möglichkeit ist aber die Abgabedes angeregten Elektrons an einen ge-eigneten Akzeptor (A). Dies ist der beider photosynthetischen Lichtreaktionstattfindende Primärprozess, die La-dungstrennung:

Chl. + A –> Chl.* + A –> Chl.+ + A-Der terminale Akzeptor der Lichtre-

aktionen ist ein FeS-Cluster-Protein,das Ferredoxin (Abb. 2). Die Elektro-nenlücke, die das Chl.+ zurücklässt,muss wieder geschlossen werden. DieElektronen hierzu stammen aus derbiologischen Oxidation von Wasser(Wasserspaltung).

! Biologische WasserspaltungDas Reduktionspotential des oxi-

dierten Chlorophylls (Chl.+) ist mit+1,12 V groß genug, um Wasser oxi-dieren zu können. Das Wasser wirddabei in Sauerstoff, Protonen und Elek-tronen gespalten. Cyanobakterien undgrüne Pflanzen wie Algen, Moose,Farne und höhere Pflanzen sind die ein-zigen Lebewesen, welche die Fähigkeitzur biologischen Wasserspaltung ent-wickelt haben. Die chemische Stabilitätdes Wassers und die möglichen reakti-ven Produkte seiner Spaltung stellen je-doch extreme Anforderungen. Fragen,die sich in diesem Zusammenhang er-geben, werden seit einigen Jahren in-

tensiv wissenschaftlich bearbeitet. Soauch die Frage, wie die lichtgetriebeneEinelektronenreaktion der Photosyn-these zu einem im Vergleich zu denEdukten (2 H2O) vierfach oxidiertenProdukt (O2) führen kann. InsbesondereEXAFS(extended X-ray absorptionfine structure)-spektroskopische Unter-suchungen haben zu Modellen des zu-grundeliegenden katalytischen Zen-trums geführt (Abb. 4) [7]. Auf Grundseiner Form bzw. Struktur wird es als„offenes C“ bzw. „Dimer of Dimers“bezeichnet. Es besteht aus zwei di-(-oxo-verbrückten Mangan-Dimeren.Das tetranukleare Mangancluster ist ineinem speziellen Multiproteinkomplexgebunden, das zum Photosyntheseap-parat gehört. In Abb. 4 ist ein möglicherReaktionsmechanismus angegeben, inwelchem in vier Oxidations- und Licht-absorptionsschritten die Spaltung vonWasser katalysiert wird [8]. Ausgehendvon zwei Wassermolekülen führt dieszur Freisetzung von einem Sauerstoff-molekül, vier Protonen und vier Elek-tronen, die durch die Lichtreaktionenauf Ferredoxin übertragen werden.

Abb. 3: Stark vereinfachte Darstel-

lung der photosyntheti-schen Licht- und Dunkelre-aktionen. Die Lichtabsorpti-on und Energieumwandlung

erfolgt durch das Chloro-phyll (Chl.). Das FeS-Protein

Ferredoxin (Fd) vermitteltElektronen und ATP(Adeno-sintriphosphat)-Energie zwi-

schen den Licht- und Dun-kelreaktionen. Unter anaer-

oben Bedingungen ist dieHydrogenase aktiv und re-

duziert Protonen zu Wasser-stoff, der frei wird. Die

Stöchiometrie der Reaktio-nen gleicht dann der Elek-

trolyse von Wasser.

Abb. 4: Ein hypothetischer Reaktionszyklus des Manganclusters, der zur Lyse von Wasser in Sauerstoff,Protonen und Elektronen führt. Das tetranukleare Mangancluster hat eine "offene" C-Form. DieArme des "C" werden je von di-(-oxo-verbrückten Mangandimeren gebildet. Wahrscheinlich sindnur die äußeren Manganionen an dem Reaktionsmechanismus beteiligt. Die Energie für die einzel-nen Reaktionsschritte stammt von Photonen, die ein Chlorophyllmolekül oxidieren, dessen Oxida-tionskraft dann auf das Mangancluster wirkt.

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AUFSÄTZE

! PhotowasserstoffDie bislang beschriebenen photo-

synthetischen Teilschritte haben zurBildung von Reduktionskraft in Formvon reduziertem Ferredoxin, Protonenund Sauerstoff geführt. Um der Elek-trolyse stoichiometrisch gleichzukom-men, fehlt noch die Bildung von Was-serstoff.

Normalerweise wird die Redukti-onskraft des Ferredoxins und die inForm von ATP gespeicherte Energieder Lichtreaktionen in den photosyn-thetischen Dunkelreaktionen dazu ge-nutzt, Kohlendioxid zu Kohlenhydra-ten zu reduzieren, ein Vorgang, den wirals Kohlendioxidassimilation bezeich-nen (Abb. 3). Der Prozess der Photo-synthese lässt sich durch folgende For-mel beschreiben:

6 CO2 + 12 H2O –> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O In besonderen Fällen kann die Re-

duktionskraft aber auch der Reduktionvon Protonen zu Wasserstoffgas die-nen. Diese Reaktion, die auch als Pho-towasserstoffproduktion oder biosolareWasserstoffproduktion bezeichnetwird, wurde bisher nur bei einigen Al-genarten und in geringem Umfangauch bei einigen Cyanobakterienartengemessen (die produzierten Wasser-stoffmengen sind jedoch bei Cyano-bakterien nur massenspektroskopischnachweisbar und biotechnologisch ir-relevant) [9]. Das Einzigartige der Pho-towasserstoffproduktion bei Algen istdie Kombination aus Wasserspaltungund Wasserstoffbildung. Die Protonenund Elektronen des Wasserstoffgasesstammen letztlich aus dem Wasser. Ambesten untersucht sind bislang die Pho-

towasserstoffproduktion der einzelli-gen Grünalgen Scenedesmus undChlamydomonas.

Voraussetzung für die Wasserstoff-bildung bei Grünalgen ist die Abwesen-heit von Sauerstoff. Durch einen als ana-erobe Adaptation bezeichneten Prozess,bei dem jeglicher Sauerstoff der Umge-bung der Zellen entzogen wird, kann dielichtabhängige Wasserstoffproduktioninduziert werden (Abb. 5) [9]. Bei gerin-gen Lichtintensitäten laufen die Bildungvon photosynthetischem Sauerstoff wieauch die Bildung von Wasserstoffgas si-multan ab (Abb. 6). Bei höheren Lichtin-tensitäten führt der in der Photosynthesegebildete Sauerstoff zu einer Inaktivie-rung der Wasserstoffbildung. ! Hydrogenasen

Warum ist die Photowasserstoffpro-duktion sauerstoffempfindlich? DieHauptursache wird in der Sauerstoff-empfindlichkeit des wasserstoffbilden-den Enzyms, der Hydrogenase, gese-hen. Hydrogenasen katalysieren die re-versible Reduktion von Protonen zuWasserstoff mit einem Redoxpartnerwie dem Ferredoxin:

2 H+ + 2 Fd- <-> H2. Sie sind in den meisten Fällen sehrsauerstoffempfindlich. Oft reicht schonein kurzer Kontakt mit der Luft aus, umsie zu inaktivieren. Diese Sauerstoff-empfindlichkeit ist das Kernproblem,das der biosolaren Wasserstofferzeu-gung im technischen Maßstab im Wegesteht. Daher wird zur Zeit unter größtenAnstrengungen versucht, den Reakti-onsmechanismus der Enzyme aufzu-klären. Man erhofft sich daraus, dasPrinzip der Sauerstoffhemmung zu ver-stehen. Zur näheren Charakterisierungim aktiven Zustand werden auf Grundder Sauerstoffempfindlichkeit bei denmeisten Hydrogenasen deren Isolierungund alle anschließenden Untersuchun-gen unter Ausschluss von Sauerstoffdurchgeführt, eine aufwendige unddamit langwierige Vorgehensweise.

Um Aussagen über den Aufbau undden Reaktionsmechanismus treffen zukönnen, schließen sich an die Enzymi-solierung vielfältige biochemische undbiophysikalische Untersuchungen an.Für die Charakterisierung der Metalledes aktiven Zentrums werden vor allemESR(Elektronen-Spin-Resonanz)-, AA(Atom-Absorptions)-, Mössbauer- undneuerdings FTIR(Fourier-Transforma-tions-Infrarot)-spektroskopische Me-thoden angewendet. ! Hydrogenaseklassen

Besonders die Hydrogenasen ausBakterien sind hinsichtlich ihrer kata-

Abb. 5: Während der anaerobenAdaptation werden Al-genkulturen, z.B. durchStickstoffbegasung, vonSauerstoff befreit. Infol-gedessen wird die Hy-drogenase aktiviert, wassich in der lichtabhängi-gen Produktion vonWasserstoff widerspie-gelt (die Ordinate gibtdie Rate in relativen Ein-heiten an). Durch Sauer-stoff wird die Photowas-serstoff Produktion wie-der gehemmt.

Abb. 6: Die Ordinaten zeigen dieWasserstoff- bzw. Sau-erstoffakkumulationeiner anaerob adaptier-ten Algenkultur. Beischwachem Licht wer-den beide Gase simul-tan gebildet. In starkemLicht wird die Photo-wasserstoffproduktiondurch den photosynthe-tischen Sauerstoff ge-hemmt.

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Photosynthese

lytischen Eigenschaften und molekula-ren Struktur schon weitgehend unter-sucht. Auf Grund des Vorkommensverschiedener Metalle im aktiven Zen-trum werden zur Zeit vier Hydrogen-asetypen unterschieden: Eisen-,Nickel-Eisen-, Nickel-Eisen-Selen-und metallfreie Hydrogenasen (die al-lerdings einen metallhaltigen Kofaktorfür die Katalyse benötigen). Bei Algensind bislang nur Fe- und NiFe-Hydro-genasen nachgewiesen worden. AusBakterien konnte von diesen beidenEnzymklassen die Kristallstruktur er-mittelt werden [10, 11]. ! Das aktive Zentrum

Fe-Hydrogenasen zeigen die größteSauerstoffempfindlichkeit, aber zu-gleich auch die höchsten Umsatzraten.Ihr aktives Zentrum wird als H-Cluster(H = hydrogen activating) bezeichnetund enthält sechs Eisenatome (Abb. 7).Bei NiFe-Hydrogenasen kommt nebenEisen auch Nickel im aktiven Zentrum

vor. Wegen ihrer etwas geringerenEmpfindlichkeit gegenüber Sauerstoffund ihrer großen Verbreitung im Bak-terienreich sind sie die zur Zeit am be-sten untersuchten Hydrogenasen. Auf-fallend ist das beiden Hydrogenase-klassen gemeinsame binukleare Me-tallzentrum, das im Falle der Fe-Hy-drogenasen aus zwei Eisenionen undbei NiFe-Hydrogenasen aus einemEisen- und einem Nickelion gebildetwird. Trotz der detaillierten Kenntnisder Strukturen ist über den Reaktions-mechanismus bisher wenig bekannt. Eswird vermutet, dass die Reaktion derWasserstoffspaltung bzw. -bildungüber ein Hydridion (H-) verläuft unddie Metallionen der Polarisation derWasserstoffbindung dienen. Es wirdaußerdem spekuliert, dass bei der Sau-erstoffinhibition das Sauerstoffmo-lekül an das binukleare Metallzentrumbindet und somit das aktive Zentrumbesetzt. Bemerkenswert an den kataly-tischen Zentren der Hydrogenasen ist

die Präsenz von Kohlenmonoxid (CO)und Cyanidionen (CN-) als Ligandender Metallionen. Diese, für die Zellestark toxischen Verbindungen, tretennur selten natürlicherweise in Organis-men auf.

Die Proteinmatrix, an der die akti-ven Zentren über Sulfhydrylguppen (-SH) der Aminosäure Cystein gebundensind, enthalten in der Regel noch weite-re FeS-Cluster, die dem Elektro-nentransfer mit Redoxpartnern der Hy-drogenasen bewerkstelligen, währenddie Protonen über Aminosäurereste zurProteinoberfläche gelangen. Der Was-serstoff selbst diffundiert vermutlichdurch Kanal-ähnliche Poren durch dieProteinmatrix.! Funktion der Hydrogen

asen bei AlgenNoch ist nicht zweifelsfrei geklärt,

welche physiologische Rolle die Hy-drogenasen bei Algen spielen, zumalsie nur bei einigen Algenarten nachge-wiesen werden konnten. Die evolu-tionären Vorläufer der Algen lebten ineiner erdgeschichtlichen Epoche, inder es noch keinen Sauerstoff in derAtmosphäre gab. Zu dieser Zeit domi-nierten die Gase Kohlendioxid, Stick-stoff, Wasserstoff und Methan. Es istsomit sehr wahrscheinlich, dass sie zudieser Zeit eine Enzymausstattung be-saßen, die auch wasserstoffumsetzen-de Hydrogenasen mit einschloss.Während die Hydrogenasen damalswahrscheinlich essentieller Bestand-teil des Stoffwechsels waren, scheintdiese Enzymgruppe bei heutigen Al-genarten keine lebensnotwendigeRolle mehr zu spielen, da sie nur unteranaeroben Bedingungen in aktiverForm vorliegen. Ihre heutige Präsenzwird aber unterschiedlich diskutiert:Zum einen wird vermutet, dass es sichum ein phylogenetisches Relikt han-delt, das keinem besonderen Evoluti-onsdruck mehr unterliegt. Einige For-schungsergebnisse deuten dagegendarauf hin, dass Algen durch die Bil-dung von Hydrogenasen einen Selek-tionsvorteil haben, wenn sie zeitweiseanaerobe Bedingungen überdauernmüssen. Besonders in stehenden Ge-wässern, einem typischen Lebensraumvon Algen, besteht in größeren Tiefenzeitweise Sauerstoffmangel. DasÜberleben in diesem Habitat könnte

Abb. 7: Schematische Darstellung des Aufbaus des aktiven Zentrums von einer Fe- und einer NiFe-Hydro-genase. Es wird vermutet, dass das Wasserstoffmolekül mit dem binuklearen Metallzentrum inter-agiert. Erstaunlich ist das Vorkommen von Kohlenmonoxid (CO) und Cyanid (CN-) als natürliche Li-ganden des Metallzentrums.

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AUFSÄTZE

durch die Hydrogenasen erleichtertwerden, da sie die Entsorgung über-schüssiger und sich bevorzugt unteranaeroben Bedingungen anhäufendenReduktionsäquivalenten in Form vonWasserstoff ermöglichen [12].! Nitrogenasen

Wie bereits erwähnt, ist die photo-biologische Wasserstoffproduktion beiCyanobakterien vernachlässigbar ge-ring. Allerdings verfügen sie übereinen anderen Mechanismus, größereMengen Wasserstoff zu produzieren:die Stickstofffixierung. Anorganischoder organisch gebundener Stickstoffist Mangelware - insbesondere in demgrößten Lebensraum der Cyanobakteri-en, den Weltmeeren. Dafür haben siedie Fähigkeit entwickelt, atmosphäri-schen Stickstoff zu fixieren. Das dafürverantwortliche Enzym heißt Nitrogen-ase und katalysiert die folgende Reakti-on:

N2 + 8 H+ + 8 Fd- + 16 ATP –> H2 + 2 NH3 + Fd + 16 ADPWie bei der Photowasserstoffpro-

duktion stammen die Elektronen inForm von reduziertem Ferredoxin (Fd)aus der Photosynthese und somit letzt-lich aus dem Wasser. Erfordert die Re-duktion des Distickstoff-Moleküls an-gesichts dessen thermodynamischerStabilität einen hohen Energiebedarf inForm von ATP sowie mindestens sechsElektronen auf einem sehr negativenRedoxpotential ( (<300 mV), so folgtaus der bekannten Reaktionsträgheitdes Stickstoffs die Notwendigkeit lei-stungsfähiger Katalysatoren, eben derNitrogenase, welche ebenfalls sauer-stofflabil ist.

Entsprechend den Hydrogenasenwerden auch Nitrogenasen nach ihremMetallgehalt unterschieden. So gibt esMolybdän-Eisen-, Vanadium-Eisen-und Fe-Nitrogenasen. Wie der oben be-sprochene wasserspaltende Protein-komplex, so besteht auch die Nitrogen-ase aus mehreren funktionellen Einhei-ten, deren Strukturen am Beispiel derMoFe-Nitrogenase aus dem BakteriumAzotobacter vinelandii weitgehendaufgeklärt werden konnten. Abb. 8zeigt das für die Katalyse entscheiden-de aktive Zentrum. Über den Reakti-onsmechanismus wiederum ist kaumetwas bekannt. Daher ist es nach wievor unklar, weshalb Nitrogenasen min-destens ein Wasserstoffmolekül pro ge-bundenem Stickstoffmolekül bilden.Unter besonderen Umständen kataly-sieren die Nitrogenasen sogar aussch-ließlich die Bildung von Wasserstoff.

Obwohl die Nitrogenase sauerstoff-empfindlich ist, können einige Cyano-bakterien in Gegenwart von SauerstoffWasserstoff bilden, da sie morphologi-sche Schutzvorrichtung besitzen (z.B.dicke Zellwände).

Normalerweise nehmen die Cyano-bakterien den von der Nitrogenase ge-bildeten Wasserstoff durch eine upta-ke-Hydrogenase wieder auf, um dieEnergie zurückzugewinnen. DurchGenmanipulation ist es jedoch bereitsgelungen, die uptake-Hydrogenase beidem Cyanobakterium Anabaena zu in-aktivieren und so die Wasserstoffaus-beute erheblich zu erhöhen [14].! Bioreaktoren

Sowohl die Photowasserstoffpro-duktion durch Algen als auch die Stick-stofffixierung der Cyanobakterienführen letztlich zur Bildung von Was-serstoffgas aus Wasser unter Verwen-dung der Lichtenergie der Sonne. ZurZeit wird in mehreren Laboren derWelt versucht, diese Fähigkeit der Mi-kroalgen in Bioreaktoren auszunutzen.Die Maßstäbe der Reaktoren reichendabei von mehreren hundert Milliliternbis zu Hektolitern und sind oft aus

Abb. 8: Schematische Darstellung des Aufbaus des mit Stickstoff reagierenden aktiven Zentrums derNitrogenase. Die postulierte Koordination des Stickstoffmoleküls vor seiner Zerlegung ist gekenn-zeichnet.

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Röhren oder Schläuchen aufgebaut, umdie Zellen optimal mit Licht zu versor-gen. Die Wasserstoffausbeuten ausCyanobakterien sind noch sehr gering -auch unter Verwendung der oben be-schriebenen Mutante ohne uptake-Hy-drogenase. Sie liegen bei wenigen Mil-lilitern Wasserstoffgas pro Liter Zell-kultur. Die größten Erfolge wurden bis-lang mit Grünalgen erzielt.

Das Kernproblem liegt in der Sauer-stoffempfindlichkeit der Photowasser-stoffproduktion. Bislang wurde dasProblem überwunden, indem die Algenzunächst im Dunkeln gehalten wurden:In Folge der Zellatmung wird der Sau-erstoff verbraucht. Während der Be-lichtungsphase müssen dann chemi-sche Reduktionsmittel wie z.B. Dithio-nit zugesetzt werden, damit der bei derPhotosynthese entwickelte Sauerstoff

gebunden wird [15]. Auf diese Weisekönnen von 100 ml Algenkultur im Op-timalfall rund 10 ml Wasserstoffgaspro Stunde gewonnen werden. Nachetwa 3 h nimmt die Wasserstoffpro-duktion allerdings drastisch ab.

Ein vielversprechendes Verfahrenwurde von Wissenschaftlern aus denUSA entwickelt [16]. Sie hatten festge-stellt, dass die Grünalge Chlamydomo-nas unter Schwefelmangel die photo-synthetische Sauerstoffproduktion ex-trem reduziert und die Kulturen nachrund 24 h im Dunkeln anaerob sind. Ineiner nachfolgenden Belichtungsphaseproduzieren 800 ml Algenkulturenrund 100 ml Wasserstoff in 75 h. DasBemerkenswerte an diesem System ist,dass es der Forschergruppe erstmalsgelungen ist, kontinuierlich Photowas-serstoff über mehrere Tage hinweg zu

produzieren. Obwohl die Wasserstoff-ausbeute nicht hoch ist, ist es ein großerSchritt in die richtige Richtung.! Energiequelle

von Morgen?Für die umweltschonende Gewin-

nung von Wasserstoff sollten Algen,die mit Hilfe der Sonnenenergie Was-serstoffgas bilden können, am bestengeeignet sein. Denn nur ihre an diephotosynthetische Wasserspaltung ge-koppelte Wasserstoffbildung stellt einzyklisches System dar, bei dem dieNutzung des Produktes (Wasserstoff)als Energieträger alleine wieder dasSubstrat der Reaktion (Wasser) frei-setzt (Abb. 9). Die Frage, ob sich derProzess der Photowasserstoffbildungdurch Mikroalgen wirtschaftlich nut-zen lassen wird, ist derzeit schwer zubeantworten. Das gegenwärtige Haupt-ziel ist, die Enzymreaktion in Algendurch gentechnische Methoden Sauer-stoff-unempfindlicher zu machen.Auch ist es vorstellbar, dass durch gen-technische Manipulationen die Was-serstoffproduktionsrate erhöht werdenkann, indem bspw. konkurrierende Re-aktionen, wie die CO2-Reduktion, aus-geschaltet werden.

Man kann sicherlich nicht erwarten,dass wir in Zukunft Wasserstoff aus-schließlich mit Mikroalgen produzie-ren. Es ist aber nicht ausgeschlossen,dass sie einen Beitrag leisten werden, sowie heute die Wasserkraft einen Beitragzu unserer Stromversorgung leistet.

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Abb. 9: Dieses Schema zeigt einen möglichen Beitrag der Photowasserstoffproduktion zur Energiegewin-nung. Der Bioreaktor könnte mit Algen oder Cyanobakterien betrieben werden. Die anfallende Bio-masse wäre als Tierfutter oder als Kohlendioxid-neutraler Brennstoff verwertbar.

Photosynthese