Bionisches Blatt verwandelt Sonnenlicht und Bakterien in Dünger

Mit künstlichen Blättern wird schon länger experimentiert. Ähnlich wie die natürlichen Vorbilder produzieren die bionischen Blätter mit Hilfe von Sonnenlicht Wasserstoff und Sauerstoff. Aus ersterem kann dann beispielsweise Kraftstoff gewonnen werden. Ein Harvard Team hat nun ein künstliches Blatt entwickelt, das sozusagen eine günstige, transportierbare Dünger-Fabrik ist.

Künstliches Blatt wird stetig erweitert

Der Vater dieses künstlichen Blattes heißt Daniel Nocera. Dieser entwickelte das bionische Blatt 2011 an der Harvard University. Es absorbierte Sonnenlicht, um eine chemische Reaktion anzutreiben, die Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff teilt. Diese Moleküle wurden dann eingesammelt und in diverse Endprodukte verarbeitet. Bei der ursprünglichen Version des Blattes wurde ein sich von Wasserstoff ernährendes Bakterium gefüttert, das daraufhin flüssigen Treibstoff für Brennstoffzellen produzierte. Später gelang es Nocera, den Output des Blattes auf den zehnfachen Wert von natürlicher Fotosynthese zu erhöhen.

Ein ähnliches System wurde an der Eindhoven University of Technology entwickelt und konnte eine Vielzahl chemischer Produkte herstellen, inklusive Medikamente und Pestizide. Die Forscher aus Harvard glaubten, dass ihr Blatt ein ähnlich breites Anwendungsgebiet hat und wandten sich der Produktion von Düngemittel als nächstes Projekt zu.

„The fuels were just the first step. Getting to that point showed that you can have a renewable chemical synthesis platform. Now we are demonstrating the generality of it by having another type of bacteria take nitrogen out of the atmosphere to make fertilizer“, so Nocera.

Bakterium produziert Ammoniak

Bei der Düngemittelproduktion kommt ein Bakterium namens Xanthobacter zum Einsatz, das Wasserstoff aus dem künstlichen Blatt konsumiert und sich aus der Umgebungsluft Dioxid holt, um daraus einen Biokunststoff herzustellen, der in dem Bakterium gespeichert wird. Letzten Endes produziert das Xanthobacter-Bakterium aus dem Biokunststoff Ammoniak, eine Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff, die die Basis von Düngemitteln darstellt.

„I can then put the bug in the soil because it has already used the sunlight to make the bioplastic. Then the bug pulls nitrogen from the air and uses the bioplastic, which is basically stored hydrogen, to drive the fixation cycle to make ammonia for fertilizing crops“, erklärt Nocera.

Das System soll Farmern in Entwicklungsländern helfen

Das Team testete das neue System mit Radieschen über insgesamt 5 Erntezyklen. Die Pflanzen, die Dünger aus dem bionischen Blatt erhielten, wurden letztlich knapp 1,5 Mal so groß wie die Pflanzen einer Kontrollgruppe. Die Wissenschaftler sehen das als ersten Anhaltspunkt dafür, dass ihr System in Zukunft auf Farmen in Entwicklungsländern zum Einsatz kommen könnte.

„When you have a large centralized process and a massive infrastructure, you can easily make and deliver fertilizer. But if I said that now you’ve got to do it in a village in India onsite with dirty water — forget it. Poorer countries in the emerging world don’t always have the resources to do this. We should be thinking of a distributed system because that’s where it’s really needed“, erläutert Nocera weiter.

via American Chemical Society