Biologische Erzeugung von Wasserstoff mithilfe von Blaualgen
Um eine vollständige Defossilisierung zu erreichen, werden so schnell wie möglich große Mengen an treibhausgasneutralen Energieträgern benötigt. Vor allem ist Grüner Wasserstoff ein essenzieller Energieträger, der nicht nur industriell, sondern auch mithilfe von Blaualgen (Cyanobakterien) hergestellt werden kann.
Zur Herstellung von Grünem Wasserstoff nutzen diese die photobiologische Wasserstoffproduktion. Es gibt hierbei zwei Mechanismen, die jeweils mit einem anderen Enzym arbeiten. Zum einen die Nitrogenase und zum anderen die Hydrogenase . Bei ersterem dient Nitrogenase der Stickstofffixierung, also der Umwandlung von Luftstickstoff N2 in biologisch nutzbaren Ammoniak. Dabei entsteht Wasserstoff als Nebenprodukt. Zum Teil können die Algen durch die Uptake-Hydrogenase den produzierten Wasserstoff wieder verbrauchen und so Energie zurückgewinnen. Dabei ist die tatsächlich freigesetzte Menge Wasserstoff aber nur gering. Einige Cyanobakterien besitzen zusätzlich die bidirektionale Hydrogenase , die direkt Wasserstoff herstellen kann. Sie läuft ab, wenn die Blaualge plötzlich zu viel Licht bekommt. Die Photosyntheseproduktion läuft nun sehr intensiv ab, weswegen viele Elektronen produziert werden, die die Zellen aber nicht schnell verarbeiten können. Damit es nicht zu irreversiblen Schäden an den Zellen kommt, überträgt die Hydrogenase überschüssige Elektronen auf Protonen aus der Umgebung. Die Hydrogenase dient hier also als Elektronensenke. Das Enzym reduziert jetzt die Protonen zu Wasserstoff. Das Enzym (bidirektionale Hydrogenase) kann die Reaktion aber auch in die andere Richtung katalysieren. So kann das Enzym vorhandenen Wasserstoff aufnehmen und wieder oxidieren, sodass Elektronen freigesetzt werden, die für die Fotosynthese und Zellatmung genutzt werden können.
Ein Problem bei diesem Prozess stellt der bei der Fotosynthese produzierte Sauerstoff dar. Das Enzym Hydrogenase ist extrem sauerstoffempfindlich , weswegen geringe Mengen bereits zu irreversiblen Schäden führen und so kein Wasserstoff produziert werden kann. Es gibt verschiedene Ansätze diesen Sauerstoff wieder zu entfernen. Zum einen kann man den entstandenen Sauerstoff nachträglich aus dem System entfernen. Dafür sind allerdings zusätzliche technische oder chemische Verfahren erforderlich, was den Prozess aufwendiger macht.
Zum anderen gibt es den Ansatz, den Sauerstoff, bevor dieser die Enzyme erreicht, zu entfernen. Dadurch ist eine nachhaltige und autarke Produktion von Wasserstoff durch Blaualgen durchaus möglich.