Für ein weiteres tieferliegendes Problem müssen wir jetzt in die Biochemie und Biophysik von Pflanzen einsteigen und zwar in den Prozess der Fotosynthese.[2] Die Fotosynthese besteht grob gesagt aus zwei Teilreaktionen (es sind natürlich noch viel mehr): der Lichtreaktion und der Dunkelreaktion und findet in speziellen Zellorganellen statt: den Chloroplasten.
Die Lichtreaktion ist, wie der Name schon andeutet, lichtabhängig, d.h. mit Hilfe von Photonen werden spezielle Moleküle in einen angeregten Zustand versetzt, was sie befähigt Wasser zu spalten und an einer Membran einen Protonengradienten aufzubauen. Dieser kann dann genutzt werden um biochemische Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) herzustellen, die dann universell in der Zelle verwendbar ist. Als Nebenprodukt dieser Reaktion entsteht Sauerstoff, aber wenn sie unvollständig abläuft auch sogenannte reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid, welche u.a. die oben erwähnten Proteine des Fotosystems angreifen und zerstören. Das führt dazu, dass die Pflanze diese Proteine ständig erneuern muss, was sie einen nicht geringen Anteil ihrer fotosynthetisch gewonnenen Energie kostet. Des weiteren sind die Fotosysteme schon an mäßig hellen Tagen maximal ausgelastet, d.h. die volle Lichtleistung der Sonne kann gar nicht genutzt werden. Auch wird der grüne Teil des Lichts von den meisten Pflanzen reflektiert, da ihre Fotosysteme nur in der Lage sind rotes und blaues Licht zu absorbieren und für die Lichtreaktion zu verwenden. Dem könnte mittels gentechnisch veränderter Pflanzen entgegengewirkt werden, die in der Lage wären grünes Licht zu absorbieren, nur hätten diese dann schwarze Blätter und würden sich sehr wahrscheinlich nicht das Wohlwollen der Bevölkerung zuziehen.
Die Dunkelreaktion nutzt die biochemische Energie des ATPs aus der Lichtreaktion um Kohlenstoffdioxid (CO2) in einfachen Zuckermolekülen zu fixieren. Dabei spielt das Enzym RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/-Oxygenase) eine limitierende Rolle, denn es katalysiert diesen entscheidenden Schritt. Die RuBisCO ist das wohl häufigste Enzym auf diesem Planeten aber gleichzeitig auch eins der langsamsten, denn es katalysiert nur 3 bis 4 Reaktionen pro Sekunde. Des weiteren arbeitet die RuBisCO eher ungenau, denn in etwa jeder vierten Reaktion wird Sauerstoff statt CO2 eingebaut und etwa ein Drittel der Fotosyntheseenergie wird darauf verwendet das so entstandene falsche Produkt wieder abzubauen. Ein paar Algen und Hornmoose versuchen dieses Problem zu umgehen, indem sie das CO2 in spezialisierte Substrukturen der Chloroplasten namens Pyrenoide pumpen.[2] Diese Pyrenoide sind mit RuBisCO vollgestopft, was zusammen mit einer Anreicherung des CO2 zu einer effizienteren Dunkelreaktion führt.
An der Möglichkeit Algen für die Herstellung von Biokraftstoffen (Biokraftstoffe der dritten Generation) zu nutzen wird ebenfalls intensiv geforscht und das schon seit mehreren Jahrzehnten. Trotzdem ist auf diesem Gebiet noch kein Durchbruch zu verzeichnen. Dabei sind Algen in einem Photobioreaktor recht einfach zu halten, da sie nur Wasser, ein paar Salze, CO2 und Licht benötigen. Zusätzlich sind sie auf eine gewisse Durchwirbelung angewiesen, zur Verteilung des CO2 und damit die Algen am Rand nicht im Licht verbrennen, während die Algen im Inneren davon abgeschirmt sind. Dennoch spielt die alleinige Produktion von “Algensprit” derzeit keine Rolle, sondern dieser wird eher als Nebenprodukt einer eventuellen Nutzung von gentechnisch veränderten Algen zu Herstellung von Medizinprodukten gesehen.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass die moderne Photovoltaik im Vergleich zur Fotosynthese unter optimalen Bedingungen das Sonnenlicht etwa zwanzigmal effektiver nutzt, was eine Umstellung kraftstoffbetriebener Mobilität auf Elektromobilität empfiehlt. Auch ist die CO2-Fixierung, die Biokraftstoffe mit sich bringen, nur temporär und wird zudem noch durch Bewirtschaftung von Agrarfläche geschmälert. Dessen ungeachtet ist in näherer Zukunft keine Abwendung von Kraftstoffen absehbar und die Förderung von Biokraftstoffen wirkt sich zumindest positiv auf die Entwicklung strukturschwacher Gegenden aus. Deswegen lohnt es sich diese wenigstens als Übergangstechnologie beizubehalten und weitere diesbezügliche Forschung zu fördern.
Quellen:
[1] Reinhard Renneberg, Viola Berkling “Biotechnologie für Einsteiger” 4. Auflage, Springer Verlag Berlin Heidelberg (2013)
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