Dezelfde bacteriën die miljarden jaren geleden zuurstof op aarde brachten, zouden nu kunnen helpen bij de productie van schone waterstof. Onderzoekers hebben daarvoor een belangrijke doorbraak gerealiseerd.
Cyanobacteriën, ook wel blauwalgen genoemd, behoren tot de oudste levensvormen op aarde. Miljarden jaren geleden hielpen ze onze atmosfeer vullen met zuurstof via fotosynthese, waardoor complex leven mogelijk werd. Vandaag krijgen diezelfde micro-organismen opnieuw aandacht, maar dit keer vanwege hun potentieel in de energietransitie.
Onderzoekers zoeken al jaren naar manieren om cyanobacteriën in te zetten voor de productie van groene waterstof. Dat gas wordt gezien als een belangrijke toekomstige energiedrager voor industrie, luchtvaart, zwaar transport en energieopslag. Het grote voordeel van cyanobacteriën is dat ze zonlicht, water en CO₂ gebruiken om energie op te wekken, zonder fossiele brandstoffen. Toch bleef één fundamenteel probleem hardnekkig overeind.
Zuurstof saboteert het proces
Tijdens fotosynthese produceren cyanobacteriën zuurstof. Dat lijkt positief, maar die zuurstof vernietigt tegelijk de gevoelige hydrogenase-enzymen die verantwoordelijk zijn voor waterstofproductie. Met andere woorden: de organismen saboteren voortdurend hun eigen vermogen om waterstof te maken.
Onderzoekers probeerden dat eerder op te lossen met chemische toevoegingen, externe koolstofbronnen of energie-intensieve systemen die zuurstof verwijderen. Zulke oplossingen maakten het proces echter duurder en minder duurzaam, waardoor grootschalige toepassingen uitbleven.
Een internationaal onderzoeksteam van onder meer de Universität Kassel, Ruhr-Universität Bochum en NOVA University Lisbon heeft nu een alternatieve aanpak ontwikkeld die veel eleganter werkt. De studie werd bovendien ook gepubliceerd in het vakblad Angewandte Chemie.
Grote stap richting biologische waterstofsystemen
De onderzoekers embedden cyanobacteriën in een speciaal redoxpolymeer dat verbonden is met een elektrode. Dat materiaal bevat zogenoemde viologen-groepen die reageren op elektrische spanning en lokaal zuurstof wegvangen rond de cellen. Daardoor ontstaat een kleine zuurstofvrije zone waarin de hydrogenase-enzymen beschermd blijven.
De cyanobacteriën kunnen ondertussen gewoon doorgaan met fotosynthese én waterstofproductie. Volgens de onderzoekers is dat een belangrijke stap richting stabiele biologische waterstofsystemen. Anders dan klassieke industriële installaties werken deze systemen met levende organismen die zichzelf mogelijk deels kunnen herstellen wanneer er schade optreedt.
Genetische aanpassing voor hogere opbrengst
Het team ging nog een stap verder en modificeerde de cyanobacteriën genetisch. Daarbij werden de hydrogenase-enzymen direct gekoppeld aan Fotosysteem I, een cruciaal onderdeel van fotosynthese. Die aanpassing zorgde ervoor dat elektronen efficiënter naar waterstofproductie werden geleid. In combinatie met het beschermende polymeer bleven de bacteriën langer actief en produceerden ze stabieler waterstof dan natuurlijke varianten.
Hoewel commerciële toepassingen nog niet meteen voor morgen zijn, laat het onderzoek wél zien hoe biologie en elektrochemie steeds sterker naar elkaar toegroeien. Waar waterstof vandaag vaak nog afhankelijk is van energie-intensieve productieprocessen, zouden levende micro-organismen op termijn een verrassend duurzaam alternatief kunnen bieden.
