Johanna Wiedener (Universität Leipzig)
Schematische Abbildung eines mixed species-Ansatzes von Synechocystis sp. PCC 6803 (Syn6803) und einem heterotrophen, aeroben Bakterium, um Sauerstoff aus der Reaktion zu entfernen, damit eine Wasserstoffbildung durch das Cyanobakterium möglich ist (oben) und Co-Kultivierung als Biofilm in einem Kapillar-Reakor (unten). Grafik und Foto: Johanna Wiedener
Johanna Wiedener erhielt den Preis für die beste pflanzenwissenschaftliche Master-Arbeit, die an der Universität Leipzig im Jahr 2020 erstellt wurde, von der Deutschen Botanischen Gesellschaft.
Titel: Untersuchung eines ‚mixed species’ Kultivierungskonzepts für eine kontinuierliche, Photosynthese-getriebene Wasserstoffproduktion
Eine Co-Kultivierung von photosynthetischen Cyanobakterien und Sauerstoff-veratmenden Bakterien ermöglicht eine licht-getriebene, kontinuierliche Wasserstoffproduktion aus Wasser.
Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Neben einer technischen Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mittels erneuerbarer Energien (Solar-/Windkraft), sind auch biologische Ansätze möglich. Vielversprechend sind dabei Cyanobakterien, die mittels Licht ebenfalls Wasser spalten können um damit Elektronen für Biosynthesen zu ,,gewinnen‘‘. Dieser Prozess ist als oxygene Photosynthese bekannt. In Cyanobakterien können dabei die aus der Wasserspaltung gewonnen Elektronen alternativ auch in die enzymatische Synthese von Wasserstoff ,,fließen‘‘.
Die vorliegende Arbeit widmete sich der lichtabhängigen Wasserstoffproduktion im Modelstamm Synechocystis sp. PCC 6803 - und im speziellen dem Dilemma, dass die zur Wasserstoffproduktion nötigen Hydrogenasen Elektronen aus der Photosynthese beziehen, aber gleichzeitig durch den bei der Photosynthese ebenfalls entstehenden Sauerstoff inaktiviert werden. In der Masterarbeit wurde erstmals das Milieu durch Co-Kultivierung von Synechocystis mit einem heterotrophen Bakterium anaerob gehalten und dadurch eine über mehrere Stunden messbare Wasserstoffsynthese erreicht. Dabei konnte zweifelsfrei belegt werden, dass die Elektronen für die Wasserstoffsynthese tatsächlich aus der photosynthetischen Wasserspaltung stammen. Darüber hinaus konnten die Beobachtungen auch auf ein alternatives Kultivierungskonzept übertragen werden: einen bakteriellen Biofilm. Multi-species-Biofilme stellen die natürliche Lebensweise von Mikroorganismen dar und bieten den Vorteil einer verbesserten Toleranz gegenüber ungünstigen Umweltbedingungen. Aus technischer Sicht ermöglichen Sie eine langfristige, stabile Kultivierung von Mikroorganismen, da diese, solange es genügend Nährstoffquellen gibt, alle erforderlichen Elemente selbst herstellen, sich somit also selbst regenerieren können. In Biofilmen konnte sogar nach mehreren Wochen noch eine signifikante Wasserstoffsynthese dokumentiert werden. Es wurde dabei belegt, dass es tatsächlich der cyanbakterielle Partner ist, der diesen Wasserstoff produziert. Wenngleich noch viele Probleme zu lösen sind, wurde im Rahmen dieser Arbeit der biologische Ansatz zur Produktion von Wasserstoff einen bedeutenden Schritt in Richtung einer Anwendung gebracht.
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Johanna Wiedener fertigte die Arbeit am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) Leipzig im Department Solare Materialen in der Abteilung von Prof. Andreas Schmid unter der Leitung von PD Dr. Stephan Klähn an.