Robert Klatt
Eine neue Biohybrid-Batterie nutzt exolektrogenen Mikroben der Art Shewanella oneidensis zur Produktion von Strom.
Karlsruhe (Deutschland). Die Wissenschaft hat bereits vor einigen Jahren sogenannte exolektrogenen Mikroben nachgewiesen, die Elektrizität erzeugen. Einige dieser Bakterien leben sogar im menschlichen Darm. Aufgrund ihrer anaeroben Lebensbedingungen nutzten exolektrogene Mikroben statt Sauerstoff Metalle, um die bei ihren Stoffwechselreaktionen frei werdenden Elektronen zu empfangen. Laut einer im Fachmagazin Nature Nanotechnology publizierten Studie der University of Massachusetts Amherst bilden einige Mikroben dabei Bakterienfäden, deren Leitfähigkeit mit Metallen vergleichbar ist.
Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun im wissenschaftlichen Journal ACS Applied Materials & Interfaces eine praktische Möglichkeit vorgestellt, um diese Elektro-Mikroben als biologische Stromproduzenten zu nutzen. Dazu hat das Team um Yong Hu ein Material entwickelt, in dem die Bakterien wachsen können und dass den von ihnen erzeugten Strom effektiv über Elektroden ableitet.
In der Bio-Batterie werden anaerobe Bakterien der Art Shewanella oneidensis genutzt, die die Wissenschaftler im Lake Oneida in New York isolierten. Shewanella oneidensis kann verschiedene elementare Metall aus Schwermetall-Verbindungen erzeugen, darunter Uran, Silber, Quecksilber, Blei und Eisen. Dabei geben die Bakterien über fädige Zellortsätze Elektronen an die Metalle ab.
Die neue Biohybrid-Konstruktion besteht aus einer flüssigen Nährlösung, die sich in einer Kombination aus Nanostrukturen und Biomolekülen befindet. Christof Niemeyer, Co-Autor erklärt, dass die Wissenschaftler „dazu ein poröses Hydrogel hergestellt haben, das aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kieselsäure-Nanopartikeln, die durch die DNA-Stränge der Bakterien miteinander verwoben sind.“
Beobachtungen der Kultivierung des Materials zeigen laut Johannes Gescher, Co-Autor der Studie, dass „exoelektrogene Bakterien wie Shewanella oneidensis das leitfähigen Gerüst besiedeln, während andere Bakterien, wie zum Beispiel Escherichia coli nur auf der Oberfläche der Matrix bleiben.“ In der Biohybrid-Batterie kommt es laut den Wissenschaftlern zu einer elektrochemischen Aktivität, die darauf schließen lässt, dass im Shewanella-haltige Komposit die Bakterien metabolische Elektronen extrahieren und zur Anode transportieren. Der Elektronenfluss steigt in abhängig von der Menge der in der synthetischen Matrix vorhandenen Bakterien an.
Niemeyer konstatiert, dass dies die erste Beschreibung eines solch komplexen und funktionellen biohybrides Material ist. Die Ergebnisse deuten laut ihm darauf hin, dass mögliche Anwendungen solcher Materialien sogar über mikrobielle Biosensoren, Bioreaktoren und Brennstoffzellensysteme hinausgehen könnten.“
Nature Nanotechnology, doi: 0.1038/NNANO.2011.119
ACS Applied Materials & Interfaces, doi: 10.1021/acsami.9b22116
