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Energiequelle der Zukunft: Biologische Wasserstoffproduktion
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Energiequelle der Zukunft:
Biologische Wasserstoffproduktion
von Dr. Marianne Weis
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Hydrogenasen spielen in der Natur eine bedeutende Rolle. So verfügen Knallgasbakterien über membrangebundene Hydrogenasen, mit deren Hilfe sie in der Lage sind, in der Umgebung vorhandenes Wasserstoffgas zu H+-Ionen zu oxidieren und damit einen Protonengradienten über der Zellmembran aufzubauen. Die membrangebundene Hydrogenase der Knallgasbakterien kann auch die Rückreaktion, die Reduktion von H+-Ionen zu Wasserstoffgas in gewissem Umfang katalysieren und ist damit ein möglicher Kandidat für die biogene Wasserstoffgasproduktion. Durch gentechnische Kopplung der membrangebundenen Hydrogenase der Knallgasbakterien an das Fotosystem I und damit eines regenerativen Energieträgers gelungen.
Stoffwechsel und Energiehaushalt:
Assimilation D. 3.11
Unterrichts-Materialien Biologie Sek. II 1
Energiequelle der Zukunft:
Biologische Wasserstoffproduktion
Kompetenzprofil
■ Niveau: weiterführend
■ Fachlicher Bezug: Stoffwechsel
■ Methode: Einzel-, Partnerarbeit
■ Basiskonzepte: Kompartimentierung, Stoff- und Energieumwandlung
■ Erkenntnismethoden: beschreiben, vergleichen, Regeln formulieren, Darstellungen verwenden
■ Kommunikation: erklären, veranschaulichen, Materialien auswerten
■ Reflexion: –
■ Inhalt in Stichworten: Knallgasreaktion, Hydrogenase, Atmungskette, Mitochondrien, Fotosynthese, Lichtreaktion, Dunkelreaktion, Wasserstoffproduktion, NADH Autorin: Dr. Marianne Weis
Methodisch-didaktische Hinweise
Hydrogenasen spielen in der Natur eine bedeutende Rolle. So verfügen Knall- gasbakterien über membrangebundene Hydrogenasen, mit deren Hilfe sie in der Lage sind, in der Umgebung vorhandenes Wasserstoffgas zu H+-Ionen zu oxidieren und damit einen Protonengradienten über der Zellmembran aufzu- bauen. Die membrangebundene Hydrogenase der Knallgasbakterien kann auch die Rückreaktion, die Reduktion von H+-Ionen zu Wasserstoffgas in ge- wissem Umfang katalysieren und ist damit ein möglicher Kandidat für die biogene Wasserstoffgasproduktion. Durch gentechnische Kopplung der membrangebundenen Hydrogenase der Knallgasbakterien an das Fotosystem I aus Cyanobakterien ist ein erster Schritt in Richtung einer biogenen Wasser- stoffgasproduktion und damit eines regenerativen Energieträgers gelungen.
Das Schülermaterial beschäftigt sich mit den von der Hydrogenase katalysier- ten Reaktionen. In M1 sollen die Schülerinnen und Schüler einerseits ihre Kenntnisse aus einer Unterrichtseinheit „Zellatmung“ vertiefen und anderer-
D. 3.11 Stoffwechsel und Energiehaushalt:
Assimilation
2 Unterrichts-Materialien Biologie Sek. II
seits den Aufbau eines Protonengradienten zur ATP-Synthese als prinzipielle Gemeinsamkeit der Atmungskette/Endoxidation bei Mitochondrien und Knallgasbakterien erkennen.
M2 beschäftigt sich mit einem Projekt, das die – energieabhängige – Rückre- aktion der Hydrogenase nutzt. Dabei wird mithilfe der Abb. 4 die lichtabhän- gige Reaktion wiederholt und gezeigt, dass die lichtgetriebene Wasserstoffgas- produktion durch Cyanobakterien in Konkurrenz zum Calvinzyklus und da- mit zur Glucoseherstellung steht.
Das Material kann erst im Anschluss an die beiden Unterrichtseinheiten Zell- atmung und Fotosynthese eingesetzt werden. Es präsentiert den Schülern auch bereits Bekanntes, allerdings im neuen Kontext der biogenen Wasser- stoffgasproduktion, sodass die Bearbeitung eine intensive Auseinanderset- zung der Schüler mit den vorausgegangenen Unterrichtsinhalten verlangt.
Für die Bearbeitung bietet sich Partnerarbeit an, Schulbücher und Unterrichts- unterlagen dienen als Nachschlagewerke.
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