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Künstliche Gemeinschaft: E. aerogenes (blau) und C. acetobutylicum (pink) © Oliver Gräf
Künstliche Gemeinschaft: E. aerogenes (blau) und C. acetobutylicum (pink) © Oliver Gräf

APA

Maßgeschneiderte Bedingungen machen Bakterien zu Wasserstoff-Fabriken

19.08.2020

Wenn Wasserstoff künftig eine zentrale Rolle im europäischen Energiesystem spielen soll, könnten Bakterien der Lieferant dafür sein. Denn die Mikroorganismen können unter maßgeschneiderten Bedingungen deutlich mehr Wasserstoff produzieren als angenommen, zeigen Wiener Forscher in einer im Fachjournal "Communications Biology" veröffentlichten Arbeit.

Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts wurde nachgewiesen, dass anaerobe Mikroorganismen - also solche, die für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff benötigen - Wasserstoff produzieren können. Doch für eine biotechnologische Produktion schien die Ausbeute bisher zu gering: Seit einigen Jahrzehnten gilt eine theoretische Barriere dafür, das sogenannte "Thauer-Limit". Demnach können die Bakterien nur die vierfache Stoffmenge an Wasserstoff produzieren als sie an Glukose verwerten können (vier Mol Wasserstoff pro Mol Glukose).

Das Team unter der Leitung von Simon Rittmann vom Department für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie der Universität Wien hat gemeinsam mit Kollegen der Universität für Bodenkultur (Boku) Wien untersucht, ob sich die Wasserstoffproduktion unter maßgeschneiderten Bedingungen über dieses Thauer-Limit steigern lässt. Sie verwendeten dazu zwei Bakterienarten, die sich durch eine hohe Wasserstoffproduktionsrate auszeichnen: das Bakterium "Enterobacter aerogenes", das je nach Umweltbedingung einen aeroben bzw. anaeroben Stoffwechsel aufweist, und das strikt anaerobe Bakterium "Clostridium acetobutylicum".

Künstliches mikrobielles Ökosystem entworfen

Auf dem Reißbrett entwarfen die Wissenschafter ein künstliches mikrobielles Ökosystem mit einem für die Bakterien optimalen Wachstums- und Nährmedium, "eine wässrige Lösung mit Spurenelementen und Wuchsstoffen, von der wir die Zusammensetzung genau kennen, in der beide Organismen sehr gut wachsen können", wie Rittmann gegenüber der APA erklärte. Zudem fanden sie heraus, in welchem Mischverhältnis die beiden Bakterien die höchste Wasserstoffproduktion und -ausbeute erzielen. "Wir wollten eine Zusammensetzung, bei der beide Organismen unter optimalen Bedingungen wachsen können und gleichzeitig in eine exponentielle Wachstumsphase kommen", so Rittmann.

Mischten die Forscher "Enterobacter aerogenes" und "Clostridium acetobutylicum" im Verhältnis 1 zu 10.000, lag die Ausbeute bei 5,6 Mol Wasserstoff pro Mol Glukose. Das liegt 40 Prozent über dem "Thauer-Limit" und auch deutlich über der Wasserstoffausbeute von Reinkulturen mit nur einem der beiden Bakterien. Ein Vorteil der Mischung der beiden Bakterienarten sei etwa, dass der fakultativ anaerobe Mikroorganismus "Enterobacter aerogenes" Spuren von Sauerstoff aufbraucht, der für den strikt anaeroben Organismus schädlich ist.

Rittmann geht davon aus, dass das nun im Labor erzielte Ergebnis auch im größeren Maßstab erreichbar ist. Entsprechende Arbeiten werden derzeit durchgeführt. Er kann sich vorstellen, dass die Ergebnisse einen Umbruch in der Nutzung von Mikroorganismen zur Erzeugung von Wasserstoff aus nachwachsenden Rohstoffen darstellen. Die Produktion von Biowasserstoff könnte so zu einem Eckpfeiler der europäischen Wasserstoffinitiative werden, betonte Rittmann. Derart maßgeschneiderte mikrobielle Ökosysteme könnte aber auch für die Produktion von anderen bio-basierten Produkten wie Bioplastik oder Biopharmazeutika genutzt werden.

Service: https://dx.doi.org/10.1038/s42003-020-01159-x

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