Etablierung einer nachhaltigen methanogenen Kohlendioxidreduktion in bioelektrochemischen Systemen und Identifizierung kinetischer und thermodynamischer Restriktionen.

• Antragsteller: Professor Dr. Ulf-Peter Apfel; Dr.-Ing. Tito Gehring
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445401355

Bioelektrochemische Systeme ermöglichen die Speicherung elektrischer Energie in Form von Methan (CH4), jenem transportablen Gas, dessen spätere energetische Verwertung bereits von einer vorhandenen Erdgasinfrastruktur profitieren kann. In den genannten Bioreaktoren stellt eine Kathode Elektronen für die Reduktion von Kohlendioxid (CO2) zu Methan (CH4) über ein anaerobes Mikrobiom bereit. Die Ziele dieses Vorhabens können in zwei Bereiche unterteilt werden: i) Entwicklung und Untersuchung von Fe4.5Ni4.5S8-Elektroden, die die katalytischen Eigenschaften wichtiger Enzyme der methanogenen Prozesse imitieren; und ii) Verwendung der Kohlenstoffisotopenanalyse zur Unterstützung einer umfassenden Prozessanalyse und zur Simulation der CH4-Bildung aus CO2 in Bioreaktoren. Die Hypothese für die Untersuchungen zu den Isotopeneffekten ist, dass bei der CH4-Bildung unter Verwendung direkter Elektronenübertragungswege die 13C-Fraktionierung von der verfügbaren freien Energie für den methanogenen Stoffwechsel abhängig ist, analog zur hydrogenotrophen Methanogenese. Eine variable 13C-Fraktionierung wird auch bei autotrophen CO2-Fixierungsprozessen durch Bakterien, Archaeen und Algen beobachtet. Mit Hilfe dieser Hypothese werden wir eine Modellstruktur auf Basis der 13C-Analysedaten zur detaillierten Beschreibung der Produktbildungserträge mit thermodynamisch abhängiger Wachstumskinetik und detaillierter Berechnung der stabilen Kohlenstoffisotopenfraktionierung entwickeln. Dieses Modell soll für den methanogenen CO2-Reduktionsweg mit verschiedenen Elektronendonatoren gelten. Daher werden Gasdiffusionskathoden eingesetzt, um eine sofortige Änderung der Elektronendonatorquelle zu ermöglichen, durch eine Begasung mit Wasserstoff (H2) oder durch die Bereitstellung eines elektrischen Stroms. Letztendlich werden durch die 13C-basierte thermodynamische Analyse ideale Bedingungen für den Vergleich des neuen Fe4.5Ni4.5S8-Elektroden mit Benchmark-Elektroden geschaffen. Wir gehen davon aus, dass die funktionellen biomimetischen Hydrogenase und CO-Dehydrogenase Modelle aus den Fe4.5Ni4.5S8-Elektroden die methanogene CO2-Reduktion begünstigen können, was aus den thermodynamischen Randbedingungen direkt abgeleitet werden kann. Die Untersuchungen werden parallele biologische Experimente mit offenen Mikrobiomen und Reinkulturen umfassen. Assays mit Methanogenen aus der Gattung Methanothrix sind vielversprechend für eine direkte Bestimmung der 13C-Fraktionierung bei der H2-freien Methanogenese aus CO2, da diese die CO2-Reduktion nur durch direkte Elektronenübertragungsmechanismen durchführen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen