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Forschung & Technik
05.10.2022

Im Dunkeln ist gut ... wachsen

Normalerweise gewinnen Pflanzen Kohlenstoff und Energie mittels Photosynthese aus Sonnenlicht und CO2. Forscher haben ein System mit künstlicher Photosynthese untersucht, das solare Energie besser konvertieren kann. Es wurde unter anderem an Raps erprobt. Foto: Catrin Hahn

Kann mit künstlicher Photosynthese die pflanzliche Leistung erhöht werden?

In der Elektrobiochemie ist die künstliche Photosynthese ein heißes Thema, um chemische Wertstoffe aus CO2 und Sonnenlicht zu erzeugen. Doch auch in der Nahrungsproduktion könnte dieser Ansatz die Flächeneffizienz erhöhen – und sogar einen Anbau ohne Licht ermöglichen.

Nutzung künstlicher Photosynthese für den Pflanzenanbau – das klingt ein bisschen wie Eulen nach Athen tragen. Doch genau damit hat sich ein interdisziplinäres Forschungsteam in den USA beschäftigt. Verwenden Pflanzen doch bislang nur etwa 1 Prozent der auf sie fallenden Sonnenenergie für die Photosynthese. Gelänge es, diese Rate zu erhöhen, ließe sich die Flächeneffizienz der Nahrungsproduktion steigern. Allerdings haben sowohl die klassische Züchtung als auch gentechnische Ansätze bisher nur geringe Verbesserungen bei der Verwertung der Sonnenenergie erzielen können.

Eine Arbeitsgruppe um Professor Robert Jinkerson, University of California, wählte einen hybriden Ansatz: Ein elektrochemisches System sollte zunächst mittels künstlicher Photosynthese aus CO2 eine Verbindung erzeugen, die den Pflanzen dann als Kohlenstoff- und Energiequelle dienen könnte. Neben der höheren Effizienz wäre dann ein weiterer Vorteil, dass Pflanzen sogar im Dunkeln wachsen könnten – beispielsweise auf Raumflügen oder bei Indoor-Farming-Lösungen.

Verschiedene Verbindungen lassen sich durch künstliche Photosynthese erzeugen, einige davon erwiesen sich als wenig geeignet. Acetat hingegen erschien den Wissenschaftlern als denkbare Verbindung, allerdings ist noch nie zuvor bestätigt worden, ob sie als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle tauglich wäre.

So entwickelten sie zunächst einen zweistufigen Elektrolyseur, um mittels Solarstrom Kohlendioxid über Kohlenmonoxid zu Acetat umzuwandeln. Anschließend testete das Team, ob es möglich wäre, dass Pflanzen aus Acetat Biomasse herstellen. Sie erprobten erst die photosynthetische Alge Chlamydomonas reinhardtii, von der bekannt ist, dass sie heterotroph auf Acetat im Dunkeln wachsen kann. Und siehe da: pro Gramm Acetat bildete der Mikroorganismus 0,28 Gramm Biomasse und verwendete gut 99 Prozent des Acetats. Produkte der biologischen Photosynthese benötigte er dagegen nicht.

Auch nahrungsrelevante Pflanzen wachsen auf Acetat

Doch das Ziel war ja, nahrungsrelevante Pflanzen auf ihre Eignung zu testen. So wurden in weiteren Untersuchungen sowohl Bäckerhefe als auch Speisepilze – insbesondere Austernpilze, die üblicherweise auf einem festen Substrat wachsen – erfolgreich mittels künstlicher Photosynthese ernährt.

Zuletzt erprobte das Forscherteam den Ansatz an Kopfsalat, Reis, Erbse, Jalapeño, Raps, Tomate, Kuhbohne, Tabak und Ackerschmalwand. Diese durften jedoch bei Licht wachsen und zusätzlich Acetat nutzen. Es zeigte sich, dass viele Pflanzen das zusätzliche Acetat verwerteten. Das deutet nach Meinung der Wissenschaftlergruppe darauf hin, dass die Pflanzen über einen Mechanismus verfügen, um Acetat als Kohlenstoffquelle zu verwerten.

Nun hoffen die Wissenschaftler, dass Pflanzen mit einem zusätzlichen Acetatangebot eine höhere Energieeffizienz erreichen. Bei Hefen ist diese Effizienz 18-mal höher als bei der biologischen Photosynthese, bei Algen immer noch viermal so hoch. Vielleicht eröffnet sich hier ein Weg, künftig den steigenden Nahrungsbedarf der Menschheit ohne zusätzliches Ackerland zu decken?

Quelle: pflanzenforschung.de

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