Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

PHOTOBIOLOGICAL HYDROGEN PRODUCTION PROSPECTS AND CHALLENGES 2. Seminarpräsentation Biotechnologie – Marc Müller Pin-Ching Maness et al., 2009 6. Februar.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "PHOTOBIOLOGICAL HYDROGEN PRODUCTION PROSPECTS AND CHALLENGES 2. Seminarpräsentation Biotechnologie – Marc Müller Pin-Ching Maness et al., 2009 6. Februar."—  Präsentation transkript:

1 PHOTOBIOLOGICAL HYDROGEN PRODUCTION PROSPECTS AND CHALLENGES 2. Seminarpräsentation Biotechnologie – Marc Müller Pin-Ching Maness et al., Februar

2 Inhalt 1.Grundlagen Fotosynthetische H 2 -Produktion - warum? 2.Mechanismus der H 2 -Produktion 2.1bei nicht-fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen 2.2bei fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen 3.Schlüsselenzyme: Hydrogenasen 3.1FeFe-Hydrogenasen bei Grünalgen 3.2NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen bei Cyanobakterien 4.Limitierungen auf zellulärer Ebene und Lösungsansätze 2

3 1. Grundlagen Fotosynthetische H 2 -Produktion - warum? Prognosen zeigen: Energiebedarf steigt bis 2030 um ca. 50% und bis 2060 um ca. 100% (vgl. Shell-Studie und IEA)! 3

4 1. Grundlagen Fotosynthetische H 2 -Produktion - warum? 4 Auch zur Produktion alternativer Treibstoffe! H 2 dominiert hierbei laut Prognosen der IEA bzw. DWV (Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband) Quelle: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V.

5 1. Grundlagen Fotosynthetische H 2 -Produktion - warum? möglicher Beitrag von aus erneuerbarem Strom erzeugten Kraftstoffen zur Deckung des europäischen Kraftstoffbedarfs: 5 CGH 2 = komprimierter gasförmiger Wasserstoff LH 2 = flüssiger Wasserstoff Quelle: Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V.

6 1. Grundlagen Fotosynthetische H 2 -Produktion - warum? Wasserstoff wird in Form von LH 2 die entscheidende Rolle als Universalkraftstoff der Zukunft spielen! als regenerative Energiequellen stehen zur Verfügung: Solarthermische Kraftwerke Photovoltaik Windkraftanlagen on- und offshore Geothermie, Gezeitenkraftwerke, Wasserkraft Alternative Ansätze zur direkten H 2 -Produktion mittels fotosynthetisch aktiver Mikroorganismen: 6 Quelle: Bundesministerium für Bildung und Forschung Quelle: Scinexx – Das Wissensmagazin Grünalgen z.B. Caulerpa taxifolia Cyanobakterien z.B. Anabaena

7 2. Mechanismen der mikrobiellen H 2 -Produktion 7 2.1bei nicht-fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen H 2 als entscheidender Metabolit bei einer Vielzahl fotosynthetisch und nicht- fotosynthetisch aktiver Mikroorganismen Hydrogenasen konvertieren reversibel Protonen und Elektronen zu Wasserstoff 2H + + 2e - H 2 Nicht-fotosynthetisch aktive Mikroorganismen fermentieren Zucker Übertragung überschüssiger Elektronen auf Wasserstoff zur Regeneration von NAD(P) + H 2 reduziert seinerseits NAD(P) + zu NAD(P)H Teuer beim scale-up, da fermentierbare Zucker benötigt werden (Glucose, Xylose, etc…)

8 8 2.2bei fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen Grünalgen und Cyanobakterien produzieren H 2 fotosynthetisch! Entscheidende Rollen nehmen hierbei die Fotosysteme PS1 und PS2 ein 2. Mechanismen der mikrobiellen H 2 -Produktion

9 9 2.2bei fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen Lichtabsorbtion durch die Pigmente Chlorophyll a 1 und a 2 bei λ = 430 bzw. 662 [nm] Extraktion von e - aus H 2 O durch das oxidierte Chlorophyll a 2 Elektronentransport durch membrangebundene Redoxsysteme Reduktion des oxidierten Chlorophyll a 1 Das von Chlorophyll a 1 generierte Reduktionsmittel überträgt seine e - auf Ferredoxin (Redox-Protein) Ferredoxin stellt e - für die NADPH-Produktion mittels FNR zur Verfügung 2. Mechanismen der mikrobiellen H 2 -Produktion

10 10 2.2bei fotosynthetisch aktiven Mikroorganismen Ferredoxin stellt e - für die NADPH-Produktion mittels FNR zur Verfügung NADPH und ATP benötigt zur Kohlenhydratsynthese im Calvin-Benson-Zyklus Bei Abwesenheit von CO 2 und bei anaeroben Bedingungen erfolgt die Übertragung der e - von Ferredoxin oder NADPH auf Protonen, katalysiert durch Hydrogenasen 2H + + 2e - H 2 2. Mechanismen der mikrobiellen H 2 -Produktion

11 3.Schlüsselenzyme: Hydrogenasen FeFe-Hydrogenasen bei Grünalgen Gene für FeFe-Hydrogenasen charakterisiert z.B. in Scenedesmus obliquus, Chlamydomonas reinhardtii, Chloroella fusca und Chlamydomonas moewusii Gene kodieren für ein ca. 48 kDa großes Protein Sequenzähnlichkeit 50% Das monomere Protein beinhaltet eisenhaltiges katalytisches Zentrum H-Cluster! H-Cluster besteht aus einem [4Fe-4S]-haltigen kubischen Molekül

12 3.Schlüsselenzyme: Hydrogenasen FeFe-Hydrogenasen bei Grünalgen Anaerobe Konditionen induzieren die Transkription der beiden Strukturgene der FeFe- Hydrogenasen Das Vorhandensein von O 2 inaktiviert jedoch irreversibel das H-Cluster mit einer Halbwertszeit von wenigen Sekunden

13 3.Schlüsselenzyme: Hydrogenasen NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen bei Cyanobakterien phylogenetisch nicht mit den FeFe-Hydrogenasen verwandt weiter verbreitet als FeFe-Hydrogenasen sowohl in den Reichen Archaea und Bacteria gefunden Heterodimere oder komplexere Strukturen bekannt NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen: Pentamer aus 5 Unterinheiten bestehend aus Hydrogenase und Diaphorase-Rest

14 3.Schlüsselenzyme: Hydrogenasen NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen bei Cyanobakterien NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen: Pentamer Katalytisches Zentrum an große Untereinheit HoxH gebunden beinhaltet Fe- und Ni-Atome mit CN- und CO- Liganden sowie Schwefel aus Cystein-Resten des umgebenden Proteins Kleine Untereinheit HoxY beinhaltet [4Fe-4S]-Cluster entscheidend für Elektronentransfer zur HoxH-Einheit

15 3.Schlüsselenzyme: Hydrogenasen NiFe-zweidirektionale Hydrogenasen bei Cyanobakterien HoxF, HoxU und HoxE formen den Diaphorase-Rest welcher den Elektronentransfer zwischen NAD(P)H und dem Hydrogenase-Rest reguliert Strukturgene im Gegensatz zur FeFe-Hydrogenase auch bei O 2 -Anwesenheit gebildet O 2 inhibiert jedoch die Wasserstoff-Produktion

16 4.Limitierungen auf zellulärer Ebene und Lösungsansätze 16 Limitierungen bei der H 2 -Produktion resultieren auf zellulärer Ebene aus: Empfindlichkeit der Hydrogenasen gegenüber O 2 Wechselwirkung des fotosynthetisch generierten Reduktionsmittels neben der Hydrogenase auch mit anderen Enzymen Herunterregulierung der Fotosyntheseleistung durch Nichtverteilung des Protonengradienten entlang der Thylakoidmembran der Chloroplasten Probleme bei der Realisierung einer kontinuierlichen H 2 -Produktion Limitierung der katalyitischen Aktivität der Hydrogenasen

17 4.Limitierungen auf zellulärer Ebene und Lösungsansätze 17 Lösungsansätze: Computergestützte Simulationen der Sauerstoffverteilung im katalytischen Zentrum Erhöhung der katalytischen Lebensdauer der Hydrogenasen evtl. durch molekulares Engineering Blockierung des Eintritts von O 2 ! Mutagenese der Hydrogenase-Gene Erzeugung von O 2 -Toleranz! Screening nach bereits O 2 -toleranten Hydrogenasen

18 4.Limitierungen auf zellulärer Ebene und Lösungsansätze 18 Lösungsansätze: Vermeidung des Elektronentransfers im Bereich des Fotosystems 1 großes NAD(P)H zu ATP – Verhältnis welches zur H 2 -Produktion benötigt wird z.B. C. reinhardtii Mutant erzeugt an der University of Queensland produziert H 2 effektiver Chemische Kopplung des reduzierenden Rests des Fotosystems 1 mit einer Hydrogenase Vermeidung kompetitiver Elektronentransferwege Deletion von Genen die für die Komponenten kompetitiver Elektronentransferwege kodieren z.B. Synechocystis sp. PCC 6803

19 Weitere Quellen 19 Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V. German Hydrogen and Fuel Cell Association, Woher kommt die Energie für die Wasserstofferzeugung - Status und Alternativen -, 3. Auflage Mai 2011 Pin-Ching Maness, Jianping Yu, Carrie Eckert and Maria L. Ghirardi, Photobiological Hydrogen Production Prospects and Challenges, Microbe, Vol. 4, Number 6, 2009 Ghirardi, M. L., A. Dubini, J. Yu, and P. C. Maness Photobiological hydrogen-producing systems. Chem. Soc. Rev. 38: 52–61 Tamagnini, P., R. Axelsson, P. Lindberg, F. Oxelfelt, R. Wu¨ nschiers, and P. Lindblad Hydrogenases and hydrogen metabolism of cyanobacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 66:1–20

20


Herunterladen ppt "PHOTOBIOLOGICAL HYDROGEN PRODUCTION PROSPECTS AND CHALLENGES 2. Seminarpräsentation Biotechnologie – Marc Müller Pin-Ching Maness et al., 2009 6. Februar."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen