Oxygene Photosynthese und lichtinduzierte Wasserspaltung: Lernen von der Natur (Teil 1)

Einleitung

Die Sonne ist die zentrale Energiequelle für das Leben auf der Erde. Die Versorgung mit Energie und organischem Material beruht dabei vor allem auf der Umwandlung solarer in chemische Energie durch die oxygene Photosynthese. Die dadurch global umgesetzte Energie übertrifft den aktuellen Weltenergiebedarf der Menschen um fast das Zehnfache. Daher bietet sich an, eine nachhaltige Energieversorgung maßgeblich auf Basis der (direkten) Nutzung von Sonnenenergie zu etablieren. Zur Entwicklung „bioinspirierter“ Solartechnologien ist die Kenntnis der grundlegenden Prinzipien der Photosynthese eine notwendige Voraussetzung.

 

Die Oxygene Photosynthese

Höhere Pflanzen, Algen und einige Bakterien (Cyanobakterien) nutzen zur Speicherung der Sonnenergie die lichtgetriebene Spaltung von Wasser (H2O). Dabei wird molekularer Sauerstoff (O2) freigesetzt und Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Luft im Zuge der sogenannten Dunkelreaktionen der Photosynthese in energiereiche Kohlenhydrate umgewandelt (Abb. 1). Lichtabsorption und Energieweiterleitung werden dabei von verschiedenen Pigmentmolekülen bewerkstelligt, darunter als bekanntestes und häufigstes Chlorophyll (Chl, „Blattgrün“). Die gesamte photosynthetische Leistung ist enorm; an einem Sonnentag werden von einem etwa 100-jährigen Baum (2⋅105Blätter, ≈1200 m² Blattfläche, ≈180 g Chlorophyll) ≈104 Liter CO2 assimiliert, 12 kg Kohlenhydrate gebildet und ≈104 Liter Sauerstoff abgegeben.[1] Jährlich werden etwa 200 Milliarden Tonnen (2⋅1014 kg) aus CO2 stammenden Kohlenstoffs in Kohlenhydrate umgewandelt. Die oxygene Photosynthese ist damit quantitativ der bei weitem bedeutendste biochemische Prozess auf der Erde.

Abb. 1: Oben: photosynthetische Stoffumwandlung am Beispiel eines Baums. Unten: Struktur des Chlorophyll a-Moleküls (links) und photosynthetische Aktivität auf der Erde gemessen über die Chlorophyll-Fluoreszenz (rechts, Quelle und weitergehende Informationen: NASA Earth Observatory).

Bedeutung der Photosynthese für das Leben auf der Erde

Nach Entstehung der Erde vor ca. 4,5 Milliarden Jahren war die Uratmosphäre reduzierend und die ersten Lebewesen nutzten z.B. H2 als Energiequelle. Mit dem Erscheinen der ersten Organismen, die in der Lage waren, oxygene Photosynthese durchzuführen (vor ca. 2,5 Milliarden Jahren), reicherte sich O2 in der Erdatmosphäre an, dessen Anteil heute bei ≈21% liegt (Abb. 2). Der Sauerstoff ermöglichte die Entwicklung höherer Lebewesen (Tiere, Pflanzen) auf der Erde, die ihren Energiebedarf durch Verbrennung von Nahrung mittels Sauerstoff decken. In der Stratosphäre kommt es durch strahlungsinduzierte Prozesse zur Entstehung von Ozon (O3) aus O2. Die dadurch gebildete Ozonschicht schützt die Erdbewohner durch Absorption harter UV-Strahlung vor deren schädigender Wirkung (Abb. 2). Ferner ist die Photosynthese unsere einzige Quelle der Nahrung, sie versorgt uns mit wichtigen nachwachsenden Rohstoffen (z.B. Holz, Baumwolle) und hat durch die Verwitterung von Biomasse unter Temperatur- und Druckeinflüssen all unsere fossilen Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas erzeugt (Abb. 2). Vor diesem Hintergrund ist es sicher richtig, die Photosynthese als den wichtigsten chemischen Prozess für das irdische Leben zu bezeichnen - und seine Erforschung kann uns Strategien liefern zur Nutzung und Speicherung der Sonnenenergie in Verbindungen, die wir als Nahrung oder Brennstoffe benötigen.

Abb. 2: Oben links: zeitliche Entwicklung des Sauerstoffanteils in der Atmosphäre. Oben rechts: schützender Effekt der Ozonschicht. Unten: Rohstoffe aus photosynthetischer Produktion.

Vom Baum zur photosynthetischen Membran

Der obere Teil von Abb. 3 zeigt den Querschnitt eines Blattes mit Chloroplasten, Kanälen für die Wasserversorgung und Spaltöffnungen für den Gasaustauch (CO2, O2). Die Photosynthese der Pflanzen findet in den Chloroplasten der Blätter statt, die ein gestapeltes Membransystem (Thylakoid-Membran) enthalten. Diese photosynthetische Membran enthält zwei Typen von Photosystemen, PS I und PS II, die durch die chlorophyllhaltigen Antennensysteme energetisch angetrieben werden (Abb. 3 unten). Dadurch findet in den Photosystemen eine lichtinduzierte Ladungstrennung statt. Im PS II werden somit Elektronen, welche aus der Wasseroxidation stammen, über eine Ladungstransportkette sukzessive an ein Chinon übertragen. In einer Kaskade von Folgereaktionen wandern diese Elektronen zum PS I, wo wiederum eine Photoreaktion zur Ladungstrennung führt. Schlussendlich liegt die Energie (gespeist durch zwei Photoanregungen) genügend hoch, um über ein Ferredoxin (Fd) mittels des Enzyms FNR NADP+ zu NADPH zu reduzieren. Im Zuge dieser sogenannten Lichtreaktionen wird ferner über die Membran ein Protonenfluss erzeugt. Der dadurch entstehende Protonengradient treibt das Enzym ATPase an, welches Energie in Form von ATP speichert. Sowohl ATP als auch NADPH werden benötigt, um im Calvin-Zyklus Kohlenhydrate aus CO2 zu erzeugen:

                                                                 

Ein interessanter Aspekt ist, dass die Elektronenübertragung von Ferredoxin auf NADP+ in Cyanobakterien durch gezielte Mutation vermindert werden kann. Unter diesen Bedingungen ist es dann möglich mittels einer vorhandenen Hydrogenase (H2ase) Wasserstoff aus überzähligen Protonen zu erzeugen, gemäß

                                                                                   

Im zweiten Teil wollen wir uns mit dem PS II und der Wasserspaltung befassen.

Abbildung 3 (Video)

Abb. 3: Oben: Blattquerschnitt und Chloroplast einer Pflanze. Unten: Aufbau einer cyanobakteriellen photosynthetischen Membran im Modell.

Wissenswertes

Gesamteffizienz der Photosynthese

Die Quantenausbeute der primären Lichtreaktion der Photosynthese liegt bei nahezu 100%. Aufgrund des Lichtspektrums der pflanzlichen Pigmente werden im nutzbaren Wellenlängenbereich (ca. 380 – 700 nm) jedoch nur 47% der Sonnenenergie absorbiert. Die (primäre) Umwandlung von Energie in Energieträger der Zelle (NADPH, ATP) erfolgt mit einer Energieeffizienz von ≈30%, so dass in diesen Molekülen nur 14% der einfallenden Lichtenergie enthalten ist. Lichtstress, Trockenheit, CO2-Mangel und Proteinschäden beeinträchtigen die Photosynthese ganz erheblich, so dass dieser Wert auf ≈5% sinkt (Idealpflanzen), unter realistischen Bedingungen werden sogar weniger als 1% der Lichtenergie gespeichert (für eine detaillierte Rechnung siehe [2]).
 
Als Fazit ergibt sich, dass Biomasse aus der Photosynthese keinen wesentlichen Beitrag zur Lösung unserer Energieprobleme leisten kann. Dies gilt für Biodiesel, Bioalkohol und auch Biogas gleichermaßen. Die Photovoltaik (PV) nutzt die Sonnenenergie viel effektiver (um mehr als das 100-fache), wodurch sie zur Nutzung der Sonnenenergie die geeignetere Technologie ist. Für weitergehende Informationen siehe [2-4].