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Biotechnologie für Chemiker, Teil 16

Photosynthese

Pflanzen, (Mikro-)Algen und Cyanobakterien betreiben Photosynthese, d.h. es liegen Zellen vor, die Chloroplasten beinhalten, in denen unter Ausnutzung der Lichtenergie aus den anorganischen Vorstufen Kohlendioxid und Wasser energiereiche organische Verbindungen (Glucose) aufgebaut werden. Solche Zellen werden auch als photoautotrophe Systeme bezeichnet.

Photoautotrophen Systemen können auf oxischer oder anoxischer Basis funktionieren. Es gibt somit auch Mikroorganismen, die nur die Lichtenergie nutzen, ohne dabei auch Sauerstoff zu produzieren. Bei der oxischen Variante wird allerdings Sauerstoff gebildet, der durch andere Mikroorganismen, die Dissimilation betreiben, wieder verbrauchen. Dissimilation findet man bei heterotrophen Mikroorganismen, d.h. sie oxidieren vorhandene organische Verbindungen zu Kohlendioxid und Wasser. Es liegt hier insgesamt ein Kreislaufsystem aus Assimiliation und Dissimilation vor.

In den Chloroplasten, die den grünen Blattfarbstoff Chlorophyll (derivatisierter Porphyrin-Chelat-Komplex mit Mg2+ als Zentral-Ion) beinhalten, läuft die Photosynthese an der Thylakoidmembran ab. Diese befindet sich im Innern der Chloroplasten, in der geschichtete „Scheibchen“ übereinander liegen.
An dieser Membran gibt es zwei Photosysteme I und II mit Lichtabsorptionsmaxma bei Licht der Wellenlänge von 680 nm und 700 nm. Mittels dieser Lichtenergie werden Wassermoleküle über eine Kaskade von Redoxreaktionen in elementaren Sauerstoff und H+ -Ionen und Elektronen aufgespalten. So werden aus 2 Molekülen Wasser ein Molekül Sauerstoff, vier H+ -Ionen und vier Elektronen.
Die Elektronen wandern in einer Art Elektronentransportkette über Redoxsysteme, wie z. B. Ferredoxine (Fe- und S-haltige Redox-Enzyme) und Plastochinone (Chinon-Hydrochinon-System), weiter und führen letztlich mit den H+ -Ionen zur Bildung von NADPH (Nikotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat) und ATP (Adenosintriphosphat).
Der komplette Ablauf ist sehr komplex und kann in Kürze hier nicht dargestellt werden.

Beide Stoffe (NADPH und ATP) sind Energiespeicher und werden im lichtunabhängigen Teil der Photosynthese, nämlich dem Calvin-Zyklus, als reaktives Agens eingesetzt. Der Calvin-Zyklus beginnt beim 3-Phosphoglycerat und führt über mehrere Zwischenstufen zu Ribulosebisphosphat, einer zweifach phosphorylierten Ketopentose. An einem Punkt im Calvin-Zyklus entsteht auch Glycerinaldehydphosphat, abgekürzt GAP. Dieser C3-Baustein kann in der Gluconeogenese zur Bildung von Glucose verwendet werden, weil die Glykolyse reversible Reaktionsschritte beinhaltet. Die gebildete Glucose kann anschließend in Stärke oder Cellulose umgewandelt werden. Cellulose ist der Gerüststoff für Pflanzen, wobei hier noch zu erwähnen ist, daß Pflanzen im Sekundärstoffwechsel noch eine Menge weiterer organischer Stoffe bilden, die prinzipiell interessant sein können. Der Sekundärstoffwechsel umfasst generell alle Synthesepfade, die nicht dirket zum Leben der Zelle notwendig sind. Dabei können z. B. Kohlenhydrate, Proteine, Vitamine, ungesättigte Fettsäuren, Beta-Carotine, Farb- und Duftstoffe, Coffein, Terpene, entstehen.

Wenn in einem Photobioreaktor unter Lichteinfluß Mikro-Algen in einem diskontinuierlichen Verfahren kultiviert werden, wird Kohlendioxid (unser Treibhausgas, neben Methan) gebunden. Es gibt auch kontinuierliche Anlagen, wie z. B. den Röhren-, den Helix- bzw. Coil- und den Platten-Reaktor, in denen allesamt für viel Lichteinfall gesorgt wird. Wichtig ist hier, dass die Mikro-Algen nicht an der Wand haften bleiben, da sie sonst die Lichtaufnahme verringern.

Als besondere Variante gibt es eine Form, die sich „Raceway Ponds“ nennt. Übersetzt steht es für Rennstrecken - Teiche. Es handelt sich um eine spezielle, offene Form eines gewundenen, flachen Kanals mit einer Umwälzungsmaschine, die die fluide Phase in Bewegung hält. Dabei kommt viel Licht rein und die Algenbildung wird so gefördert. Als Beispiel möchte ich die Firma Cyanotech in den USA nennen, die auf Hawai in Kailua Kona eine große Anlage mit „Raceway Ponds“ betreibt (siehe Link mit tollen Fotos und Luftaufnahmen) und dort Algen der Sorte „Spirulina“ und „Astaxanthin“ herstellen. Die Firma wurde bereits 1983 gegründet, allerdings erst in Nevada, und zog später um nach Hawaii, weil dort die Bedingungen besser waren.

https://www.cyanotech.com

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