Der Photorezeptor Phytochrom
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- Walter Langenberg
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1 Der Photorezeptor Phytochrom Steuert zahlreiche Effekte bei Pflanzen, z.b. Ergrünung Biophysikalische Studien zur Aktivierung Chemphyschem. 2007; 8: Seite 1 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
2 Microalgen-Photosynthese für Biomasse Produktion Seite 2 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
3 Biokraftstoffe aus Landpflanzen Raps Mais Jatropha Pflanzen wie Raps und Mais verbrauchen landwirtschaftlich genutzte Flächen Jatropha wächst auf kargen Böden Seite 3 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
4 Vergleich Landpflanze / Microalge Landpflanzen: Blätter sind photosynthetisch aktiv, andere Organe (Wurzel, Blüte, Stamm) nicht Microalgen: einzelne Zellen, alle sind photosynthetisch aktiv Seite 4 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
5 Bio-Kraftstoffe aus Landpflanzen und Algen Chisti Y (2007) Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv 25: Seite 5 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
6 Microalgen vs. Landpflanzen Vorteile: Effektive Photosynthese Meerwasser möglich Ungenutzte Flächen (Wüste) Nachteile: Hohe Investitionskosten (Bioreaktor) Nährstoff-Zufuhr Wenig Forschung Seite 6 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
7 Screening nach Microalgen Proben aus Helgoland (Nordsee) und Giglio (Mittelmeer) Seite 7 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
8 Screening nach Microalgen Vom Freiland ins Labor Seite 8 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
9 Microalgen Biologie: was sind Microalgen, woher kommen sie, welche Gruppen gibt es? Möglichkeiten zur Energie-Nutzung Bio-Reaktoren Firmen in USA und Deutschland Seite 9 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
10 Chlorophyll auf der Erde NASA Photosynthese an Land: Samenpflanzen Photosynthese im Meer: Microalgen vor allem Cyanobacterien, Diatomeen, Dinoflagellaten Seite 10 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
11 Primärproduktion durch Photosynthese Fläche Ozeane 361 Mio km2 Land 149 Mio km2 Primärprod. pro Jahr 49 Mrd Tonnen Kohlenstoff 56 Mrd Tonnen Kohlenstoff Gesamt: 105 Mrd Tonnen Kohlenstoff, ca. 10% des atmosphärischen CO2 Science 1998: 281, Seite 11 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
12 Chlorophyll an der Küste Hohe Photosyntheserate in den Küstengewässern Geringe Raten im offenen Meer wegen Nährstoff- Mangel Chlorophyll im westlichen Nordatlantik. Ostküste der Vereinigten Staaten von Amerika von Maine im Norden bis Mittelflorida im Süden. Die Küstenlinie ist als gepunktete Linie eingezeichnet. Rot: > 1 mg Chlorophyll/m 3 Wasser, blauen und < 0,01 mg/m 3 Wasser. Aus: Brock, Mikrobiologie Seite 12 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
13 Stammbaum des Lebens Animalia Pteridophyten Spermatophytina Lichenes Mycobionta Bryophyten Streptophyten Chlorophyta Chlorarachniophyta Heterokontophyta Oomycota Dinophyta Haptophyta Glaucobionta Rhodobionta Cryptophyta Euglenophyta Myxobionta Eukaryoten Prokaryoten Cyanobakterien Bakterien Archaea? Microalgen (nach Max Seyfried)
14 Cyanobacterien oder Blaualgen Prokaryonten Vor ca. 3 Mrd. Jahren entstanden Oxygene Photosynthese besitzen Chlorophyll a (manche b) Andere Bakterien können nur anoxygene Photosynthese Ca. 40% der Primärproduktion der Meere Synechocystis Seite 14 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
15 Cyanobacterien Massenvermehrung von Cyanobacterien Können Toxine produzieren: Anatoxin und Saxitoxin (neurotoxische Alkaloide) Microcystin, Leber-Toxin Seite 15 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
16 Cyanobacterien Spirulina, filamentöses Cyanobacterium Spirulina Farm in Kalifornien, Firma Earthrise Verwendung als Nahrungs- Ergänzungsmittel, in Kosmetik, Fischfutter Seite 16 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
17 Cyanobacterien Kleines Genom >35 Arten sequenziert (blau: marine Cyanobacterien) Genetische Modifikation möglich Seite 17 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
18 Etwa 40% der Primärproduktion der Meere Vermutlich mehr als Arten Größe 5 bis 50 µm Vor 200 Mio Jahren entstanden Zellwand aus Siliziumoxid (Schale, Frustel) Mit Braunalgen verwandt Einzellige, fädige oder Kolonie-bildende Formen Diatomeen, Kieselalgen Seite 18 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
19 Diatomeen Phaeodactylum tricornutum für die Produktion von Eicopentaensäure EPA (für Aquaorganismen) EPA COOH Seite 19 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
20 Diatomeen Abgeschlossene Genom Sequenzierungen: Thalassiosira pseudonana (central) Phaeodactylum tricornutum (pennat) Seite 20 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
21 Grünalgen Enthalten Chlorophyll a und b (wie Samenpflanzen) Zellwand mit Cellulose Einzellige Arten und komplex aufgebaute Arten Viele Grünalgen werden biotechnisch eingesetzt Ulva Chlamydomonas Seite 21 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
22 Grünalgen Chlamydomonas reinhardtii Für die Synthese von Wasserstoff Einzige Grünalge mit sequenziertem Genom Aktives Zentrum der FeFe Hydrogenase (Ghirardi et al. Annual Reviews Plant Biol 2007) Chlamydomonas reinhardtii Seite 22 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
23 Grünalgen Dunaliella salina wächst in hohen Salzkonzentrationen produziert Glycerin und ß-Carotin ß-Carotin Seite 23 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
24 Grünalgen Haematococcus pluvialis produziert Astaxanthin Rote Farbe bei Krebsen Intensivierung Pigmente bei Fischen Haematococcus pluvialis O OH HO O Astaxanthin Seite 24 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
25 Grünalgen Chlorella wird in großen Mengen in z.b. Japan produziert Nahrungsmittel-Zusatz Chlorella Seite 25 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
26 Grünalgen Botryococcus braunii 25-75% Öl, für Produktion von Biodiesel Botryococcus braunii Seite 26 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
27 Microalgen Biologie: was sind Microalgen, woher kommen sie, welche Gruppen gibt es? Möglichkeiten zur Energie-Nutzung: Produktion von H2 Produktion von Ethanol Produktion von Lipiden Einsatz beim CO2 Recycling in Kohlekraftwerken Bio-Reaktoren Firmen in USA und Deutschland Seite 27 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
28 Wasserstoff Chlamydomonas reinhardtii und andere Grünalgen enthält eine FeFe Hydrogenase, die H 2 produziert O 2 sensitiv, nur unter anaeroben Bedingungen exprimiert Wachstum S-Armut, hier PS II Aktivität unterdrückt Chlamydomonas Aktives Zentrum der FeFe Hydrogenase (Ghirardi et al. Annual Reviews Plant Biol 2007) Seite 28 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
29 Photosynthese Stärke 4H + NADP NADPH ATP LHCII 4H + LHCI 2H + Fd ADP+P Thylakoid Membran PSII PQ Cytb 6 f PC PSI ATP Synthase OE 4H + 4H + H 2 O O 2 + 2H + PSI, PSII: Photosystem I, II; OE: oxygen evolving complex; PQ: Plastochinon; PC: Plastocyanin; Fd: Ferredoxin. Blaue Pfeile: Elektronen-Fluss; rote Pfeile: Protonen Die Stöchiometrie ist nicht berücksichtigt. Bei der Synthese von Stärke werden im Calvin Cyclus ATP und NADPH verbraucht
30 Photosynthese unter S-Mangel Stärke Abbau H 2 4H + NADP NADPH Hydrogenase ADP+P ATP LHCII 2e - 2H + 4H + LHCI Fd Thylakoid Membran PSII PQ Cytb 6 f PC PSI ATP Synthase OE H 2 O O 2 + 2H + 4H + 4H + Schwefel Mangel: PSII defekt, keine Wasserspaltung, O 2 geht zurück Unter anaeroben Bedingungen wird Hydrogenase aktivert, Elektronen aus Abbau von Stärke für Wasserstoff Synthese. Nach Hankamer et al Physiol Plant
31 Wasserstoff Wechsel zwischen normalem Medium (Wachstum und Stärke Synthese) und schwefelarmem Medium (H 2 Produktion) Chlamydomonas Seite 31 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
32 Ethanol Ethanol wird unter anaeroben Bedingungen aus Glycolyse Produkt Pyruvat synthetisiert (Bier, Wein) Buchanan Seite 32 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
33 Ethanol Ethanol kann auch in kleinen Mengen in der Photosynthese entstehen Pyruvat Decoarboxylase und Alkohol Dehydrogenase überexprimiert in Synechococcus PCC 7942: mehr Ethanol Deng Coleman Applied and Environmental Microbiology 1999 Seite 33 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
34 Öl aus Microalgen Triacylglycerin als Speicher Transesterifizierung mit Methanol zu Biodiesel (wie bei z.b. Raps) Seite 34 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
35 Öl aus Microalgen Microalgen weisen oft einen hohen Ölgehalt auf Chisti Y (2007) Seite 35 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
36 Filtrieren von CO 2 aus Kohle- oder Erdgaskraftwerken Reduktion der CO 2 Emission durch Microalgen Photosynthese Düngung der Microalgen; besseres Wachstum Seite 36 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
37 Kohlekraftwerke in der BRD Um CO2 in durch Microalgen zu fixieren: Verbrauch von 241 Mio t Kohle (2006) Annahmen: Kohle enthält 75% C, in der Alge wird daraus C(H20); 1 g Trockensubstanz Microalgen pro Tag und Liter, 360 g pro Jahr und Liter, Schichtdicke 5 cm Microalgen Fläche km2 (7% der Fläche der BRD) (Daten von Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Sierra et al 2008, Subitec) Seite 37 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
38 Microalgen Biologie: was sind Microalgen, woher kommen sie, welche Gruppen gibt es? Möglichkeiten zur Energie-Nutzung: Bio-Reaktoren Offene Systeme (Raceway Pond) Geschlossene Systeme (Röhren-Reaktoren, Flachbett-Reaktoren, Folien-Reaktoren) Firmen in USA und Deutschland Seite 38 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
39 Raceway Pond (fließender Teich) Offenes System Schwerpunkt des Aquatic Species Program ( DOE, USA) Spirulina bei Earthrise Seite 39 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
40 Raceway Pond Vorteile geringe Investitionskosten Erfahrung in der Praxis Nachteile Niedrige Zelldichte Kontamination Seite 40 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
41 Röhren-Bioreaktor Geschlossenes System Relativ hoher Energie- Aufwand für Umwälzung M. Borowitzka, Murdoch University Australia, Chisti Y (2007) Seite 41 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
42 Folien-Reaktoren Geschlossenes System Günstige Herstellungskosten Firma Novagreen, Vechta-Langförden Seite 42 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
43 Flachbett-(flat panel) Bioreaktor Geschlossenes System Relativ geringer Energie- Aufwand für Umwälzung Firma Subitec, Stuttgart Sierra et al Seite 43 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
44 Bioreaktoren, Vergleich der Systeme Energieverbrauch W/m3 Algenproduktion g Trockensubstanz pro Tag pro m3 Raceway pond Röhren-Reaktor Flachbett-Reaktor (g TS)/kJ kj/(g TS) Physiologischer Brennwert von Fett: 39 kj / g Physiologischer Brennwert von Kohlehydraten: 17,2 kj / g (Daten von Sierra et al 2008, Subitec, DOE ASP report 1998, Andersen - Algae Culturing Techniques 2005) Seite 44 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
45 Microalgen Biologie: was sind Microalgen, woher kommen sie, welche Gruppen gibt es? Möglichkeiten zur Energie-Nutzung Bio-Reaktoren Firmen in USA und Deutschland Greenfuel Solix Cyano Fuels Subitec Novagreen Seite 45 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
46 Pilotprojekt mit 1000 MW Gasturbinen Kraftwerk bei Phoenix (Arizona) 100 ha Anlage in Spanien Greenfuel (Arizona, USA) Seite 46 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
47 Solix, USA Spin off des DOE Aquatic Species Program (seit 2006) Microalgen Biokraftstoff / Rohstoff Anlage in Durango, Colorado geplant (4 ha) Seite 47 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
48 Cyano Biofuels, Berlin Cyanobacterien für Ethanol Produktion Seite 48 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
49 Subitec, Stuttgart Spin off des Fraunhofer Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik (2000) Entwicklung und Herstellung von Bioreaktoren (Patent) Pilotprojekt Microalgen an Blockheizkraftwerk Produktion von wertvollen Rohstoffen wie Astaxanthin und EPA O OH HO O Astaxanthin EPA COOH Seite 49 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
50 Novagreen, Verda-Langförden Folien-Reaktoren für verschiedene Anwendungen Geplant: Herstellung von rekombinanten Proteinen (Antikörper) in Microalgen Seite 50 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
51 Photosynthese von Microalgen für Biomasse Produktion + Höhere Produktivität möglich als mit Samenpflanzen Verwendung von Wüsten-Flächen denkbar Einsatz von Meerwasser möglich Photosynthese zur Synthese von z.b. Öl oder Carotinoiden - Bioreaktoren nötig Energie Verbrauch für Umwälzung Hohe Investitionskosten Nährstoffe müssen zugeführt werden Kultivierung und Aufarbeitung der Microalgen muss weiter optimiert werden Seite 51 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
52 Microalgen-Photosynthese für Biomasse Produktion Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 52 T. Lamparter, Microalgen, März 2009
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