Einem Team von Mikrobiologen der Goethe-Universität Frankfurt ist es gelungen, Bakterien zur kontrollierten Speicherung und Freisetzung von Wasserstoff einzusetzen. Dies ist ein wichtiger Schritt auf der Suche nach kohlenstoffneutralen Energiequellen im Interesse des Klimaschutzes.
Der Kampf gegen den Klimawandel macht die Suche nach kohlenstoffneutralen Energiequellen immer dringlicher. Grüner Wasserstoff, der mit Hilfe erneuerbarer Energien wie Wind- oder Sonnenenergie aus Wasser gewonnen wird, ist eine der Lösungen, auf die man hofft. Der Transport und die Speicherung des hochexplosiven Gases sind jedoch schwierig, weshalb Forscher weltweit nach chemischen und biologischen Lösungen suchen. Ein Team von Mikrobiologen der Goethe-Universität Frankfurt hat in Bakterien ein Enzym gefunden, das in Abwesenheit von Luft lebt und Wasserstoff direkt an CO2 bindet und auf diese Weise Ameisensäure produziert.
Der Prozess ist vollständig reversibel – eine Grundvoraussetzung für die Wasserstoffspeicherung. Diese acetogenen Bakterien, die z. B. in der Tiefsee vorkommen, ernähren sich von Kohlendioxid, das sie mit Hilfe von Wasserstoff zu Ameisensäure umwandeln. Normalerweise ist diese Ameisensäure aber nur ein Zwischenprodukt ihres Stoffwechsels und wird weiter zu Essigsäure und Ethanol abgebaut. Doch das Team um Professor Volker Müller, Leiter der Abteilung Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik, hat die Bakterien so angepasst, dass es möglich ist, diesen Prozess nicht nur auf der Stufe der Ameisensäure zu stoppen, sondern auch umzukehren. Das Grundprinzip ist bereits seit 2013 patentiert.
“Die gemessenen Raten der CO2-Reduktion zu Ameisensäure und zurück sind die höchsten, die je gemessen wurden und um ein Vielfaches höher als bei anderen biologischen oder chemischen Katalysatoren; außerdem benötigen die Bakterien im Gegensatz zu chemischen Katalysatoren keine seltenen Metalle oder extreme Bedingungen für die Reaktion, wie hohe Temperaturen und hohe Drücke, sondern erledigen den Job bei 30 °C und normalem Druck”, berichtet Müller. Jetzt kann die Gruppe einen neuen Erfolg vermelden: die Entwicklung einer Biobatterie zur Wasserstoffspeicherung mit Hilfe derselben Bakterien.
Für die kommunale oder häusliche Wasserstoffspeicherung ist ein System wünschenswert, bei dem die Bakterien den Wasserstoff zunächst speichern und dann in ein und demselben Bioreaktor möglichst stabil über einen langen Zeitraum wieder abgeben. Fabian Schwarz, der seine Doktorarbeit zu diesem Thema im Labor von Professor Müller geschrieben hat, ist es gelungen, einen solchen Bioreaktor zu entwickeln. Er fütterte die Bakterien acht Stunden lang mit Wasserstoff und setzte sie dann während einer 16-stündigen Phase über Nacht auf eine Wasserstoffdiät. Danach gaben die Bakterien den gesamten Wasserstoff wieder ab. Die unerwünschte Bildung von Essigsäure konnte mit Hilfe gentechnischer Verfahren unterbunden werden. “Das System lief mindestens zwei Wochen lang extrem stabil”, erklärt Fabian Schwarz, der sich freut, dass die Arbeit zur Veröffentlichung in Joule, einer Zeitschrift für chemische und physikalische Verfahrenstechnik, angenommen wurde. “Dass Biologen in dieser wichtigen Fachzeitschrift veröffentlichen, ist eher ungewöhnlich”, sagt Schwarz.
Volker Müller hatte sich bereits in seiner Doktorarbeit mit den Eigenschaften dieser speziellen Bakterien beschäftigt – und viele Jahre lang Grundlagenforschung betrieben. “Mich hat interessiert, wie diese ersten Organismen ihre Lebensprozesse organisiert haben und wie sie es geschafft haben, in Abwesenheit von Luft mit einfachen Gasen wie Wasserstoff und Kohlendioxid zu wachsen”, erklärt er. Durch den Klimawandel hat seine Forschung eine neue, anwendungsorientierte Dimension bekommen. Für viele Ingenieure überraschend, kann die Biologie durchaus praktikable Lösungen hervorbringen, sagt er.
Datum: Mai 25, 2022
Quelle: Goethe-Universität Frankfurt
Journal Reference:
- Fabian M. Schwarz, Jimyung Moon, Florian Oswald, Volker Müller. Biological hydrogen storage and release through multiple cycles of bi-directional hydrogenation of CO2 to formic acid in a single process unit. Joule, 2022; DOI: 10.1016/j.joule.2022.04.020