- Titel
- Advancing System Performance and Mechanistic Understanding of Extracellular Electron Transfer in Synechocystis-Driven Biophotovoltaics
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1053468
- Erstveröffentlichung
- 2026
- Datum der Einreichung
- 07.10.2025
- Datum der Verteidigung
- 09.06.2026
- Abstract (DE)
- Der Übergang von traditionellen zu nachhaltigen Energiequellen ist eine der größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Unter den verfügbaren erneuerbaren Ressourcen ist Solarenergie bei weitem die reichhaltigste und am weitesten verbreitete. Sie stellt eine saubere und unerschöpfliche Energiequelle dar, die – wenn sie effizient genutzt wird – den weltweiten Energiebedarf bei weitem übertreffen könnte. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Solartechnologien entwickelt bzw. befinden sich in Entwicklung, darunter Photovoltaik, solarthermische Systeme und bio-inspirierte Ansätze zur solaren Brennstoffproduktion. Jede dieser Technologien deckt spezifische Bedürfnisse ab, weist jedoch auch Einschränkungen in Bezug auf Kosten, Skalierbarkeit oder Integration in natürliche Prozesse auf. Biophotovoltaik (BPVs) haben sich als vielversprechender alternativer Ansatz zur Umwandlung von Sonnenenergie herausgebildet. Durch die Kombination von oxygenen photosynthetischen Mikroorganismen mit elektrochemischen Systemen wandeln BPVs Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um, wobei Wasser als Elektronendonor dient. Im Vergleich zu herkömmlicher Photovoltaik besitzen BPVs einzigartige Vorteile: Sie sind selbstregenerierend, selbstreparierend, potenziell kostengünstig und recycelbar. Zudem können sie die Stromerzeugung mit zusätzlichen biologischen Vorteilen wie der Kohlenstofffixierung koppeln. BPVs stehen jedoch vor entscheidenden Einschränkungen, vor allem der bislang geringen Leistungsabgabe und dem mangelnden mechanistischen Verständnis darüber, wie der extrazelluläre Elektronentransfer (EET) mit der Zellphysiologie interagiert. Diese Dissertation befasst sich mit diesen Wissenslücken unter Verwendung von Synechocystis sp. PCC 6803 als Modellorganismus. Ein technisches Drei-Elektroden-BPV-Reaktorsystem wurde eingesetzt und mit Membraneinlass-Massenspektrometrie (MIMS), Multi-Color-Puls-Amplituden-Modulation (PAM)-Fluorometrie und DUAL-KLAS-NIR-Spektroskopie ausgestattet. Damit konnten Photostrom, gelöste Gasflüsse, Elektronensenkenaktivität und der Redoxzustand photosynthetischer Carrier gleichzeitig gemessen werden. Diese integrierte Plattform ermöglicht eine quantitative Abbildung der photosynthetischen Elektronenaufteilung unter verschiedenen Betriebsbedingungen und bringt die BPV-Forschung über den aktuellen Stand hinaus. Systematische Experimente zeigten, dass die Identität von Redoxmediatoren sowohl die Höhe als auch die Nachhaltigkeit der Photoströme maßgeblich bestimmt. Drei Mediatoren mit relativ hohen Redoxpotentialen wurden getestet. 1,4-Benzochinon erzeugte hohe transiente Ströme, erwies sich jedoch als chemisch instabil und stark toxisch. [Co(bpy)3](ClO4)2 blieb chemisch stabil, zeigte jedoch eine noch stärkere Toxizität über einen anderen Mechanismus. Im Gegensatz dazu erwies sich Kaliumferricyanid als der robusteste und reproduzierbarste Mediator, der in der Lage war, über lange Zeiträume Ströme aufrechtzuerhalten. Das Lichtspektrum und die Lichtintensität erwiesen sich als entscheidend für die BPV-Leistung. Hochintensives Weißlicht (Lichtfarbe: 6000 K) verursachte eine Photodegradation von Ferricyanid und eine Freisetzung von Cyanid, während monochromatisches Rotlicht (620 nm) die Stabilität von Ferricyanid selbst unter sehr starker Beleuchtung mit 1200 μmol Photonen m-2 s-2 bewahrte, wodurch sowohl Wachstum als auch eine dauerhafte Photostromproduktion unterstützt wurden. Dieser Befund deutet darauf hin, dass spektrale Filterung einen praktischen Weg für einen stabilen Betrieb im Freien darstellen könnte. Mechanistische Analysen zeigten, dass der vermittelte EET als zusätzlicher Energieableitungspfad für Synechocystis sp. PCC 6803 fungiert. Er zieht Elektronen ab, die ansonsten durch die Mehler-ähnliche Reaktion stromabwärts von Photosystem I verbraucht würden, ohne jedoch die Kohlenstofffixierung, die Atmung oder die Sauerstoffentwicklung zu beeinträchtigen – zumindest bei der derzeit erreichten Effizienz. Mutanten, die keine Flavodiiron-Proteine exprimieren, bestätigten diesen Wettbewerb und erzeugten deutlich höhere EET-Raten als der Wildtyp. Diese Ergebnisse etablieren den EET als ein steuerbares photoprotektives Ventil, das überschüssige Elektronen umleitet, ohne den Kernstoffwechsel zu beeinträchtigen. Zusammenfassend erweitert diese Dissertation das Verständnis darüber, wie Licht, Mediatoren und Elektronensenken zusammenwirken, um die BPV-Leistung zu bestimmen. Die Ergebnisse identifizieren Ferricyanid als einen praktischen, aber lichtempfindlichen Referenzmediator, heben das Lichtspektrum als primäre Entwurfsvariable hervor und positionieren den EET als steuerbare Komponente der photosynthetischen Elektronenverteilung. Die hier vorgestellten methodischen Fortschritte bieten zudem einen Rahmen für hochauflösende Studien der photosynthetischen Elektronenkette. Obwohl die Leistungsabgabe nach wie vor eine wesentliche Einschränkung darstellt, heben die Ergebnisse Strategien zur Verbesserung hervor und deuten darauf hin, dass BPVs ihre Nische in Anwendungen finden könnten, bei denen Nachhaltigkeit, biologische Kompatibilität und Multifunktionalität ebenso wichtig sind wie die Energieproduktion.
- Abstract (EN)
- The transition from traditional to sustainable energy is one of the major challenges of this century. Among the available renewable resources, solar energy is by far the most abundant and widely distributed. It represents a clean and inexhaustible energy source that, if efficiently harnessed, could far exceed global energy demand. To this end, various solar technologies have been and are being developed, including photovoltaics, solar thermal systems, and bio-inspired approaches to solar fuel production. Each technology addresses specific needs but also carries limitations in cost, scalability, or integration with natural processes. Biophotovoltaics (BPVs) have emerged as a promising alternative route to solar energy conversion. By combining oxygenic photosynthetic microorganisms with electrochemical systems, BPVs directly transform sunlight into electrical current with water as the electron donor. Compared with conventional photovoltaics, BPVs hold unique advantages: they are self-regenerating, self-repairing, potentially low-cost and recyclable. Moreover, they can couple electricity generation with additional biological benefits such as carbon fixation. However, BPVs face critical limitations, above all, the so-far low power output and the lack of mechanistic understanding of how extracellular electron transfer (EET) interacts with cellular physiology. This thesis addresses these knowledge gaps using Synechocystis sp. PCC 6803 as a model organism. A technical-scale three-electrode BPV reactor was employed and equipped with membrane-inlet mass spectrometry (MIMS), Multi-color pulse amplitude modulation (PAM) fluorometry, and DUAL-KLAS-NIR spectroscopy, enabling simultaneous measurement of photocurrent, dissolved gas fluxes, electron sink activity, and the redox state of photosynthetic carriers. This integrated platform allows quantitative mapping of photosynthetic electron partitioning under different operational conditions, advancing BPV research beyond the current state of practice. Systematic experiments revealed that the identity of redox mediators strongly determines both the magnitude and sustainability of photocurrents. Three mediators with relatively high midpoint potentials were tested. The 1,4-benzoquinone generated high transient currents but was chemically unstable and strongly toxic. [Co(bpy)3](ClO4)2 remained chemically stable but exhibited even stronger toxicity through a distinct mechanism. By contrast, potassium ferricyanide emerged as the most robust and reproducible mediator, able to sustain currents over long periods. Light spectrum and intensity were found to critically shape BPV performance. High-intensity white light (light color: 4500 K) caused ferricyanide photodegradation and cyanide release, whereas monochromatic red light (620 nm) preserved ferricyanide stability even under very strong illumination at 1200 μmol photons m-2 s-1, supporting both growth and durable photocurrent output. This finding suggests that spectral filtering could provide a practical way for stable outdoor operation. Mechanistic analyses showed that mediated EET functions as an auxiliary energy dissipation pathway for Synechocystis sp. PCC 6803. It draws electrons that would otherwise be consumed by the Mehler-like reaction downstream of photosystem I, but does not impair carbon fixation, respiration, or oxygen evolution, at its currently-achieved efficiency. Mutants deficient in flavodiiron proteins confirmed this competition, producing significantly higher EET rates than wild type. These results establish EET as a tunable photoprotective valve that diverts surplus electrons without compromising core metabolism. In conclusion, this thesis advances the understanding of how light, mediators, and electron sinks interact to govern BPV performance. The findings identify ferricyanide as a practical but light-sensitive benchmark mediator, highlight illumination spectrum as a primary design variable, and position EET as a controllable component of photosynthetic electron allocation. The methodological advances presented here also provide a framework for high-resolution studies of photosynthetic electron chain. While power output remains a major limitation, the results highlight strategies for improvement and suggest that BPVs may find their niche in applications where sustainability, biological compatibility, and multifunctionality are valued alongside energy production.
- Freie Schlagwörter (EN)
- extracellular electron transfer, biophotovoltaics, Synechocystis, bioelectrochemical systems, redox mediator
- Klassifikation (DDC)
- 620
- Klassifikation (RVK)
- ZP 3730
- GutachterIn
- Prof. Dr. Katja Bühler
- Prof. Dr. Jens Krömer
- Dr. Bin Lai
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Katja Bühler
- BetreuerIn - externe Einrichtung
- Prof. Dr. Jens Krömer
- Dr. Bin Lai
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Sonstige beteiligte Institution
- Helmholtz Centre for Environmental Research – UFZ, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1053468
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 31.07.2026
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-NC-ND 4.0- Inhaltsverzeichnis
Table of contents ............................................................. I List of figures .................................................................. V List of tables..................................................................... II List of abbreviations ......................................................... I Summary .......................................................................... I Zusammenfassung ........................................................... I 1 Introduction ..................................................................... 2 1.1 Background .................................................................. 2 1.2 Solar energy utilization technologies ............................... 4 1.3 BPV introduction ........................................................... 6 1.4 Explorations on BPV operational conditions ................. 9 1.4.1 System configuration ................................................... 9 1.4.2 Electrode material ................................................... 12 1.4.3 Illumination condition ................................................ 14 1.4.4 Electron extraction strategies ....................................... 15 1.4.5 Photosynthetic microorganisms .................................... 19 1.5 Overview of Synechocystis as a model organism for B........ 20 1.6 Electron transport chains and regulatory pathways in Synechocystis . 24 1.6.1 Photosynthetic linear electron transport ....................... 24 1.6.2 Respiratory electron transport ................................... 25 1.6.3 Mehler-like reaction ................................................. 27 1.6.4 Cyclic electron transport ............................................. 29 1.6.5 Other electron transport pathways ........................................ 31 2 Research context and thesis framework .......................................... 34 2.1 Current limitations and challenges in BPV research .................... 34 2.2 Scope and structure of this thesis .............................................. 35 2.2.1 Exogenous mediator screening and physiological consequences..... 36 2.2.2 Light quality, intensity, and relevance for outdoor operation ............ 37 2.2.3 Mechanistic interactions between mediated EET and native sinks.... 37 3 Materials and methods ........................................ 40 3.1 Strains and cultivations .................................... 40 3.2 Reactors ......................................................... 41 3.2.1 BPV reactors and operation ......................... 41 3.2.2 Multi-cultivators ............................................. 44 3.3 Analytics .......................................................... 44 3.3.1 Growth monitoring ........................................................................................... 44 3.3.2 Mediator measurement .................................................... 44 3.3.3 Determination of photosynthetic absorbed radiation ........ 46 3.3.4 State transition measurement ......................................... 47 3.3.5 DUAL-KLAS-NIR measurement ..................................... 48 3.3.6 Chlorophyll fluorescence emission spectroscopy at 77 K.... 49 3.3.7 Mass spectrometry for dissolved gas analysis ... 49 4 The impact of redox mediators on the electrogenic and physiological properties of Synechocystis sp. PCC 6803 in a biophotovoltaic system .......... 1 4.1 Background and rationale ........... 1 4.2 Results and Discussion ............... 3 4.2.1 Effects of mediators on the growth and electrogenic activity of Synechocystis... 3 4.2.2 Chemical stability in BPV .... 7 4.2.3 Effect of BQ and CoBP on PQ pool and PSI ...... 10 4.2.4 Direct electron extraction from the photosynthetic electron transfer chain .... 13 5 Comparative effects of monochromatic red and broad-spectrum white light on Biophotovoltaics: stability, efficiency, and application potential ..... 3 5.1 Background and rationale ............. 3 5.2 Results and discussion ....................... 4 5.2.1 Response of cell growth to light quality .......... 4 5.2.2 Response of mediator to light quality ................. 7 5.2.3 Response of photocurrent to light quality ......... 9 5.2.4 Tentative application under extremely strong red light ..... 13 6 Molecular dynamics of photosynthetic electron flow in a biophotovoltaic system 16 6.1 Background and rationale ........ 16 6.2 Results and discussion ....... 17 6.2.1 Effects of EET on cell growth, carbon fixation, and respiration .... 17 6.2.2 Relationship between EET and Mehler-like reactions ........ 19 6.2.3 Effects of ferricyanide and ferrocyanide on the PQ pool ......... 23 6.2.4 Effects of KCN, ferricyanide, and ferrocyanide on PSI ......... 25 7 General discussion and outlook ........ 95 7.1 Integration of key findings ............ 95 7.1.1 Exogenous mediator screening and physiological consequences ...... 95 7.1.2 Light quality, intensity, and relevance for outdoor operation ....... 95 7.1.3 Mechanistic interactions between mediated EET and native sinks .... 96 7.2 Methodological contributions ............. 96 7.3 Implications for BPV optimization ........... 97 7.4 Future perspectives ...98 8 References .................... 102 9 Appendix ................ 132 9.1 Supplementary tables ................. 132 9.2 Supplementary figures .......... 136 9.3 Acknowledgement ........ 154 9.4 Curriculum Vitae .............. 156 9.5 Publications during Ph.D. ............. 157