Das Projekt "Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produktion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Potsdam, Institut für Chemie, Lehrstuhl für Physikalische Chemie durchgeführt. H2 als einer der Energieträger der Zukunft identifiziert worden. Einige Grünalgen können Licht in H2 umzuwandeln. Das Projekt strebt eine Verbesserung dieses H2-Produktionsverfahrens auf biologischer und technischer Ebene an. Dazu haben sich neun Forschungsgruppen zusammengefunden. Um den Organismus an die Bedingungen in einem Photobioreaktor (PBR) anzupassen, werden die Algen genetisch modifiziert. Ein Verständnis des O2-Regulation ermöglicht es, die O2-empfindlichen Hydrogenasen zu schützen und die physiologischen Reaktionswege zu verbessern. Die Entwicklung von in-situ O2-Sensoren wird die Messung von O2 innerhalb der Zelle ermöglichen und eine schnelle Prozessregulation erlauben. Um die Problematik der H2-Gewinnung als Bestandteil des PBR zu lösen, werden Forschungen zur Verfahrenstechnik der Gasabtrennung durchgeführt. Mit der Inbetriebnahme von Prototyp-PBR soll die technische und ökonomische Machbarkeit demonstriert werden. Im Vorhaben sollen optische O2-Messtechnik für den Niedrig O2-Bereich und eine maßgeschneiderte Steuersoftware für Bioreaktoren entwickelt werden. Es werden Messmethoden für neue zellinterne optische O2-Sensoren entwickelt. mit den Ergebnisse werden neue Algenstämme generiert werden. Letzter Schritt ist die Implementierung der erarbeiten Messtechnik in optimierte Photobioreaktoren.
Das Projekt "Design und Synthese redox-aktiver linker für die effiziente Kopplung von Photosystem und Hydrogenase" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität zu Köln, Institut für Organische Chemie durchgeführt. Wesentlicher Bestandteil des Gesamtprojekts 'Design natürlicher Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoffproduktion: Von molekularen zu Massenfermentationssystemen' ist die Verknüpfung biologischer Photosysteme mit Elektroden bzw. direkt mit Hydrogenasen, d.h. Wasserstoff-freisetzenden Enzymen. Die Effizienz des Gesamtsystems steht in direktem Zusammenhang mit der Effizienz des Elektronentransfers. Dieses Teilprojekt widmet sich der Bereitstellung redox-aktiver linker auf der Basis der organisch-chemischen Synthese. Es wird erwartet, dass z.B. Polyene und -aryle den derzeit eingesetzten gesättigten linkern deutlich überlegen sein werden. Die zeitliche Abfolge und die Ergebnisverwertung sind im Rahmen des Gesamtprojekts zu sehen und als solche im Antrag behandelt. Das Projekt ist in insgesamt drei Teilprojekte gegliedert, die in der Anlage 'Teilvorhaben Universität zu Köln' beschrieben sind. Die Verwertung der gewonnenen Ergebnisse erfolgt über Publikationen in internationalen Fachzeitschriften. Weitere Verwertungsperspektiven sind in dem Verbundantrag des Koordinators (Prof. Rögner) zusammengefasst. Weitere Informationen finden sich in der Anlage 'Teilvorhaben Universität zu Köln'.
Das Projekt "Geometrische und elektronische Struktur von (NiFe)- und (FeFe)-Hydrogenasen: H2-Produktivität und O2-Toleranz" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Bioanorganische Chemie durchgeführt. Teilantrag zum Gesamtantrag 'H2-Designzellen': Für das Design eines Organismus zur lichtgetriebenen Wasserstoffproduktion ist die Verwendung einer hochaktiven, thermostabilen und sauerstofftoleranten Hydrogenasekomponente von essentieller Bedeutung. In diesem Projekt soll die Grundlage für ein Verständnis solcher Hydrogenasen (sowohl des NiFe- als auch FeFe-Typs) gelegt werden durch (1) Kristallisation und Röntgenstrukturanalyse und (2) spektroskopische Untersuchungen (EPR, FTIR) der aktiven Zentren. In Kooperation mit der AG Happe ist geplant, die hochaktiven kleinen (FeFe)-Hydrogenasen aus 2 Grünalgen (Chlorococcus submarinum, Chlamydomonas moewusii) zu untersuchen, ergänzt durch entsprechende Mutanten. Mit der AG Friedrich/Lenz wollen wir die (NiFe)-Hydrogenasen aus Ralstonia eutropha und thermostabilen Knallgasbakterien (Hydrogenophilus (H.) thermoluteolus, H. hirschii) studieren. Die Gene der Hydrogenase-Untereinheiten für den Zusammenbau des aktiven Zentrums und für die Reifungsprozesse müssen dann über Transformation/Konjugation in den Modellorganismus Synechocystis übertragen werden. (1) Im ersten Jahr soll die Kristallisation aller Systeme optimiert werden. Parallel dazu erfolgt die spektroskopische Charakterisierung.(2) Im zweiten Jahr sollten die Röntgenstrukturdaten für die (NiFe)- und (FeFe)-Hydrogenase zur Verfügung stehen als Grundlage für ein Verständnis von O2-Toleranz, Stabilität und Aktivität. Parallel dazu soll für die untersuchten Hydrogenasen der Wirkmechanismus ermittelt werden.(3) Im dritten Jahr sollen Hydrogenasen im Modellorganismus Synechocystis untersucht werden. Die hier geplanten Untersuchungen sind essentiell zur Auswahl geeigneter stabiler Hydrogenasen hoher Effizienz zur Einbringung in den Modellorganismus, der dann nach entsprechenden Tests einer wirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden kann.
Das Projekt "Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen Wasserstoff-Produktion: von molekularen zu Massenfermentationssystemen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Freie Universität Berlin, Institut für Experimentalphysik durchgeführt. Im Rahmen des Forschungsvorhaben soll ein Modellorganismus entwickelt werden, der Sonnenergie mittels Photosynthese nutzbar macht und zur Wasserstoffproduktion verwendet. In der Photosynthese wird Wasser in Sauerstoff und Protonen gespalten und energiereiche Elektronen bereitgestellt. Diese Elektronen sollen zu einer Hydrogenase weitergeleitet werden, wo sie Protonen zu Wasserstoff reduzieren. Im Zentrum dieses Projekts steht die in vitro Charakterisierung von Hydrogenase und Komplexen aus Hydrogenase und Photosystem I. Die Arbeiten sind in drei Projektschwerpunkte unterteilt. Aufbauend auf dem Konzept der genetischen Fusion von Membran-gebundener Hydrogenase (MBH) und Photosystem I (PSI) (7) werden in der AG Friedrich alternative Kopplungsmöglichkeiten und weitere Sauerstoff-tolerante Hydrogenasen eingesetzt und entwickelt.
Das Projekt "Design der natürlichen Katalysatoren sowie der Bioreaktoren für eine optimale H2-Produktion mit begleitender technischer Evaluierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bochum, Fakultät für Biologie und Biotechnologie durchgeführt. Ziel des Teilvorhabens der Ruhr-Universität Bochum ist die Verbesserung der für dieses Projekt essentiellen biologischen Katalysatoren - des Photosystem 2 (Wasserspaltungsmodul) sowie der Hydrogenase (Wasserstofferzeugungsmodul). Erst nach Optimierung dieser Module - O2-Toleranz der Hydrogenase sowie höhere Stabilität von PS2 - können diese in einer cyanobakteriellen 'Designzelle' miteinander optimal kombiniert werden. Hierfür wird der Metabolismus dieser Zelle in mehreren Einzelschritten so verändert, dass ein Großteil der Energie für Bioenergie (H2-Erzeugung) statt für Biomasseerzeugung verwendet wird. Die Auswirkungen dieser Änderungen sollen auf zellulärem Niveau als auch für die Zellkultur als Ganzes verfolgt werden. Diese Erkenntnisse sollen direkt in das Design und den Prozessablauf optimierter Photobioreaktoren einfließen, deren Effizienz durch begleitende energetische, ökologische und wirtschaftliche Evaluierung analysiert wird.
Das Projekt "Einsatz von Sauerstoff-toleranten Hydrogenasen für die lichtgetriebene Wasserstoffproduktion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Berlin (Humboldt-Univ.), Institut für Biologie, Professur für Mikrobiologie durchgeführt. Die effiziente Kopplung der Photosynthese mit der H2-Produktion in einem einzigen Organismus stellt eine große wissenschaftliche Herausforderung dar, deren Bewältigung substanziell zu der Lösung der heutigen Energieprobleme beitragen kann. Im Zentrum dieses Projektes steht die Kopplung Sauerstoff-toleranter Hydrogenasen aus Ralstonia species mit dem cyanobakteriellen Photosystem. Es werden zwei verschiedene Richtungen verfolgt. Erstens, die direkte Verknüpfung der Elektronentransportwege des Photosystems und Hydrogenase über Fusionsproteine und zweitens, der Transfer der Elektronen vom Photosystem auf Hydrogenase mittels natürlicher Elektronenüberträger. Parallel erfolgt die eingehende Charakterisierung der Hydrogenase-Photosystem-Fusionsproteine mittels spektroskopischer (AG Heberle, AG Dau) sowie elektrochemischer Methoden (AG Heberle, AG Rögner). Hydrogenasen aus Ralstonia eutropha werden für die Kopplungsexperimente zunächst als Modellkatalysatoren verwendet. In Zusammenarbeit mit der AG Lubitz sollen die strukturellen Vorraussetzungen der Sauerstofftoleranz auf molekularer Ebene aufgeklärt werden. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt werden die Grundlage bilden für die Etablierung eines zellulären Modellsystems, das aus Licht und Wasser Wasserstoff produziert. Außerdem dienen die Untersuchungen dem gezielten Engineering von hocheffizienten, H2-bildenden Hydrogenasen mit großer O2-Toleranz.
Das Projekt "Wasserstoff aus Mikroalgen: mit Zell- und Reaktordesign zur wirtschaftlichen Produktion; Charakterisierung und biotechnologischen Optimierung verschiedener Chlamydomonas-Stämme für Biomassen- u. H2-Produktion in Photobioreaktoren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bielefeld, Fakultät für Biologie durchgeführt. Ziel diese Projektes ist die Charakterisierung und biotechnologische Optimierung verschiedener Chlamydomonas-Stämme für Biomassen- und H2-Produktion in Photobioreaktoren sowie die Identifizierung neuer Arten für die H2-Produktion. In zwei Projektmodulen soll in enger Kooperation mit den beteiligten Partnergruppen der Aufbau von Biomasse und der Ertrag der Wasserstoffproduktion in C. reinhardtii für die Nutzung in geschlossenen Photobioreaktoren optimiert und eine systematische Identifizierung weiterer H2-produziernder Stämme und Arten, die für die industrielle Produktion von Bio-H2 interessant sind, durchgeführt werden. Nach Vortests in Minibioreaktoren in Bielefeld werden die neuen und optimierten Stämme anschließend in den neu entwickelten Bioreaktoren der Partnerlaboratorien auf ihre Effizienz getestet. Zur Verbesserung des Aufbaus der Biomasse und des Ertrags der Wasserstoffproduktion in C. reinhardtii sollen in diesem Projekt verschiedene molekulare Parameter der Versorgungsmechanismen der Hydrogenasen mit (H+) und (e-) optimiert werden. Eine optimale Grundlage dieses Forschungsprojektes bietet die in Bielefeld hergestellten Wasserstoffproduktionsmutanten Stm6 und Stm6glc4, die in der Lage sind, je nach Bedingungen ca. 5 mal mehr Wasserstoff als der Wildtyp zu produzieren. Schwerpunkte der Optimierungsstrategien sind die Anpassung der Lichtsammelantennen an die Verhältnisse in einem Photobioreaktor und die Optimierung der Nutzung des internen Stärkelagers der Zelle für die H2-Produktion. Beim systematischen Screen nach neuen Stämmen für Biomassen- und H2-Produktion werden sowohl Zufallsmutagenese Ansätze mit C. reinhardtii durchgeführt als auch weitere Stämme mit teilweise extremophilen Eigenschaften für ihre Eignung untersucht. Die biologische Optimierung der Algenbiomassenanzucht eröffnet neben der Nutzung zur H2-Produktion weitere Perspektiven der Umwandlung von produzierter Biomasse in Bioenergie in neuen Bioraffineriekonzepten.
Das Projekt "Untersuchungen zum Wasserstoffmetabolismus in den photosynthetisch aktiven Organismen Chlamydomonas reinhardtii und Synechocystis sp. PCC 6803" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Botanisches Institut und Botanischer Garten durchgeführt. Gruenalgen und Cyanobakterien sind die einzigen Organismen, bei denen unter energetischen Gesichtspunkten eine Wasserstoffproduktion sinnvoll scheint, da nur hier das Sonnenlicht als Energiequelle und Wasser als Elektronenquelle ausgenutzt wird. Unter anaeroben Bedingungen findet bei der Gruenalge Chlamydomonas reinhardtii und bei dem einzelligen Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 eine an Hydrogenasen gekoppelte Wasserstoffproduktion statt. Das Protein aus Chlamydomonas wurde physiologisch und biochemisch charakterisiert. In diesem Projekt soll erstmalig das Gen, das fuer eine eukaryontische Fe-Hydrogenase kodiert, identifiziert werden. Laengerfristig koennen Expression- und Mutageneseexperimente zur Aufklaerung des Katalysemechanismus bei Fe-Hydrogenasen beitragen (hohe spez. Aktivitaet der H2-Entwicklung). Ausserdem soll die Herstellung von sauerstoffunempfindlichen Hydrogenasemutanten die Frage klaeren helfen, ob eine biologische Wasserstoffentwicklung industriell nutzbar ist. Auch Cyanobakterien kommen fuer eine biosolare Energieumwandlung in Wasserstoff und Sauerstoff in Frage. In diesem Zusammenhang wird zunaechst die gereinigte NiFe-Hydrogenase aus Synechocystis 6803 biochemisch und biophysikalisch charakterisiert.
Das Projekt "Synchrotronspektroskopie zur Optimierung katalytischer Zentren und Funktion/Effizienz im zellulären System" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Berlin, Fachbereich Physik, Arbeitsgruppe Biophysik und Photosynthese durchgeführt. Die zunehmende Verknappung von fossilen Energie-Ressourcen und der bedrohliche Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre erfordert die Entwicklung neuer Strategien zur ökonomischen Nutzung alternativer und klimaverträglicher Energiequellen. Unser Ziel ist die Entwicklung neuartiger, auf Solarenergie beruhender Produktionsverfahren für Wasserstoff, die auf existierenden biologischen Reaktionen basieren. Das Verbundvorhaben 'Design natürlicher und biomimetischer Systeme zur lichtgetriebenen H2-Produktion: Von molekularen zu Massenfermentationssystemen' ist auf die Entwicklung eines photosynthetischen Mikroorganismus fokussiert (im folgenden als 'Designzelle' bezeichnet), in dem zwei fundamentale biologische Reaktionsabläufe zusammengeführt werden, um Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen, und zwar unter Nutzung von Solarenergie. Bei diesen Prozessen handelt es sich zum einen um die Photosynthese, bei der mittels Licht energiereiche Elektronen (Reduktionsäquivalente) aus dem Wasser gewonnen werden, und zum anderen um die Hydrogenase-katalysierte Wasserstoffproduktion aus Elektronen und Protonen. Die Aufgaben der Wissenschaftler an der FU Berlin umfassen: (1) Durch Einsatz der Röntgenspektroskopie mit Synchrotronstrahlung (XANES, EXAFS, etc.) werden effizient Informationen zur Struktur des katalytischen Zentrums gewonnen, um die gezielte Optimierung der Hydrogenasefunktion in der Designzelle zu ermöglichen. (2) Ein weiteres Ziel ist es, Beiträge zur funktionellen Charakterisierung der Photosynthesefunktion zu leisten, die eine gezielte Optimierung des zellulären Systems (Designzelle und Bioreaktor) unterstützen. (3) Ferner soll Effizienz bzw. Wirkungsgrad der Solarenergienutzung in den Photosystemen der Designzelle quantifiziert werden. Die Strategien der Ergebnisverwertung zielen auf ein mittel- oder langfristig auch ökonomisch attraktives System zur biologischen Wasserstoffproduktion unter Solarenergienutzung.
Das Projekt "Erfassung der hydrogenotrophen und methylotrophen Methanbildungskapazität in Biogasanlagen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Mikrobiologie durchgeführt. Im Rahmen des BioProFi-Konsortiums BioPara ist das Ziel dieses Vorhabens die dynamische Erfassung des Wasserstoff- und Methyl-Gruppen-Stoffwechsels methanogener Archaeen in Biogasanlagen, sowohl auf metagenomischer, als auch biochemischer Ebene. In situ-Inventarisierung der mikrobiellen Bioönose in Biogasanlagen (mit Fokus auf H2-abhängige Bakterien und Archaeen sowie auf methylotrophe Archaeen), die biochemische Bestimmung des methanoarchaealen Anteils am jeweiligen Gesamt-Stoffwechsel (H2-Bildung, H2-Verbrauch, Oxidation und Reduktion von Methyl-Gruppen), soll diese Stoffwechselaktivitäten als mögliche Raten-limitierende Schritte im Biogasprozess identifizieren. Die erhaltenen Daten sollen für die Isolierung methanogener Stämme mit Eigenschaften, die den Biomasse-Umsatz steigern können, herangezogen werden. Das Vorhaben soll so detaillierte Erkenntnisse über die H2- und Methylgruppen-abhängigen biochemische Prozesse in Biogasanlagen liefern, und so Maßnahmen identifizieren, durch die Methanproduktivität in diesen Anlagen gesteigert werden kann. Aus Biogasanlage-Proben werden H2-Verbrauch, H2-Bildung, der Anteil der methanogenen Hydrogenase-Aktivität an der Gesamt-Hydrogenase-Aktivität, sowie der Anteil der methylotrophen Methanogenese an der Gesamt-Methanausbeute, bestimmt. Desweiteren werden Methanogene mit verbesserten Eigenschaften isoliert. Die erhaltenen Daten werden mit der mikrobiellen Biozönose in Bezug gesetzt.
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