Algen
Von vielen Algenarten aus unterschiedlichen Familien ist bekannt, daß sie Wasserstoff umsetzen können. Am besten untersucht ist der Wasserstoffmetabolismus einzelliger Grünalgen. Voraussetzung ist bei ihnen immer die Abwesenheit von Sauerstoff. Durch einen als anaerobe Adaptation bezeichneten Prozeß, bei dem jeglicher Sauerstoff der Umgebung der Zellen entzogen wird, kann die Enzymaktivität der Hydrogenasen induziert werden (Abbildung 3). Im Vergleich zu einem unbedeutenden Umsatz von Wasserstoffgas im Dunkeln, dominieren die lichtabhängigen Reaktionen.
Abb. 3: Anaerobe Adaptation; nach etwa dreistündiger Inkubation unter Stickstoff haben die Algen ihre maximale Photowasserstoff-Bildungskapazität erreicht. Begasen mit Sauerstoff hemmt diese Reaktion sofort; aus [Wünschiers & Schulz, 1998]
Lichtabhängige Photoreduktion von Kohlendioxid
Unter anaeroben Bedingungen findet eine lichtabhängige Kohlendioxidassimilation statt, wobei anders als bei der üblichen Kohlendioxidassimilation nicht Wasser, sondern molekularer Wasserstoff als Reduktionsmittel genutzt wird (Abbildung 4 oben).
Abb. 4: Lichtreaktionen (gelb) und Dunkelreaktionen (blau) der Photoreduktion von Kohlendioxid (oben) und der Photowasserstoffproduktion (unten) am Beispiel der einzelligen Grünalge Scenedesmus obliquus. Rote Pfeile kennzeichnen den Weg der Elektronen. hn: Lichtenergie; PS I: Photosystem I; PS II: Photosystem II; PQ: Plastochinonpool; Fd: Ferredoxin.
Dieser Vorgang wurde als "Photoreduktion von Kohlendioxid" bezeichnet. Bei diesem Prozeß nehmen die Algen Wasserstoff und Kohlendioxid in einem Verhältnis von 2:1 auf, wobei der Wasserstoff in hohen Konzentrationen vorliegen muß. Durch Versuche mit Hemmstoffen, die spezifisch bestimmte Schritte der photosynthetischen Elektronentransportkette unterbrechen, konnte gezeigt werden, daß die Elektronen des Wasserstoffs in den Plastochinonpool eingespeist werden (Abbildung 4 oben). Folgerichtig ist nur das Photosystem I für die Photoreduktion von Kohlendioxid notwendig. Dies konnte auch durch Untersuchungen an Mutanten bestätigt werden, deren Photosystem II defekt ist.
Lichtabhängige Photowasserstoff-Produktion
Da Algen keinen Nitrogenase-Komplex besitzen, wird die Wasserstoffbildung ausschließlich von Hydrogenasen katalysiert. Wie die Wasserstoffaufnahme, so läuft auch die Photowasserstoffproduktion wegen der Sauerstoffempfindlichkeit der Hydrogenasen nur unter anaeroben Bedingungen ab. Aus der Lichtabhängigkeit dieser Reaktion erkannte Hans Gaffron Anfang der vierziger Jahre einen Zusammenhang zwischen der Photosynthese und der Photowasserstoffbildung. Erst 30 Jahre später konnte dies, wiederum durch die Verwendung von photosynthetischen Hemmstoffen und durch den Einsatz von Mutanten, bestätigt werden. Es zeigte sich, daß beide Photosysteme an der Photowasserstoffbildung beteiligt sind (Abbildung 4 unten). Entsprechend laufen bei geringen Lichtintensitäten sowohl die Bildung von Sauerstoff am Photosystem II als auch die Bildung von Wasserstoffgas am Photosystem I simultan ab (Abbildung 5).
Abb. 5: Bei schwachem Licht bilden Grünalgen Wasserstoff und Sauerstoff gleichzeitig. Bei starkem Licht hemmt die große Menge produzierten Sauerstoffs die Wasserstoffbildung.
Bei höheren Lichtintensitäten führt der in der Photosynthese gebildete Sauerstoff zu einer Inaktivierung der sauerstoffempfindlichen Hydrogenasen. Wird das sauerstoffbildende Photosystem II jedoch durch einen Hemmstoff inaktiviert, so kann auch bei hohen Lichtintensitäten die Bildung von Wasserstoff beobachtet werden. In diesem Fall erhält das Photosystem I die Elektronen aus Reduktionsäquivalenten des fermentativen Stoffwechsels. Ihre Einspeisung in die Photosynthese erfolgt wiederum am Plastochinonpool (Abbildung 4 unten). Dabei hat sich durch das Photosystem I reduziertes Ferredoxin als der natürliche Elektronendonator für die hydrogenasekatalysierte Photowasserstoffbildung herausgestellt. Das Einzigartige der Photowasserstoffproduktion bei Algen ist die Kombination aus Wasserspaltung und Wasserstoffbildung. Die Protonen und Elektronen des Wasserstoffgases stammen damit letzlich aus dem Wasser (Abbildung 4 unten).
Noch ist nicht geklärt, ob bei Grünalgen alle Reaktionen des Wasserstoffmetabolismus (die lichtunabhängigen Wasserstoffumsetzungen, die Photoreduktion von Kohlendioxid und die Photowasserstoffbildung) von demselben Hydrogenasetyp katalysiert werden. Bisher konnten aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii eine Fe-Hydrogenaseund aus Scenedesmus obliquus eine NiFe-Hydrogenase isoliert und biochemisch charakterisiert werden. Bei Scenedesmus obliquus gibt es neuerdings aus molekularbiologischen Experimenten eindeutige Hinweise darauf, daß zusätzlich eine Fe-Hydrogenase vorhanden ist und damit mindestens zwei Hydrogenasetypen gleichzeitig vorliegen.
