Bio-Batterien: Energie aus Bakterien erzeugen

Die kartoffelbetriebene Uhr ist eine nostalgische Rückblende aus dem Biologieunterricht der meisten von uns, aber eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern glaubt, dass die Stromerzeugung aus bakteriellen Organismen eine praktikable Option werden könnte.Neue Erkenntnisse über die Mechanik eines neuartigen Aspekts der Bakterienatmung könnten dazu beitragen, die Entwicklung mikrobieller Kraftwerke zu beschleunigen, die Strom aus industriellem Abwasser oder Sedimenten am Meeresboden erzeugen können, und Bakterienfabriken, die hochwertige Chemikalien und Brennstoffe nur mit Sonnenenergie und Kohlendioxid herstellen.Jüngste Forschungen, die von Dr. Tom Clarkes Team am Department of Biological Sciences der University of East Anglia berichtet wurden, haben gezeigt, wie Tausende winziger molekularer Drähte, die in die Oberfläche eines Bakteriums namens Shewanella oneidensis eingebettet sind, einen elektrischen Strom direkt auf anorganische Mineralien wie Eisen- und Manganoxide oder die Oberfläche von Elektroden übertragen können. Das Phänomen, das als direkter extrazellulärer Elektronentransfer (DEET) bekannt ist, tritt auf, weil einige Bakterien, die in Umgebungen ohne Sauerstoff leben, Elektronen exportieren, die durch ihren Atmungszyklus erzeugt werden. Beispiele sind Shewanella und einige Arten eines anderen Bakteriums, das als Geobacter bekannt ist.Die Zellatmung findet in allen lebenden Organismen statt und beinhaltet eine zyklische Reihe chemischer Reaktionen, die in den Zellen eines Körpers stattfinden, um biochemische Energie, die als Nahrung oder Nährstoffe aufgenommen wird, in eine Energiequelle umzuwandeln, die Zellen anzapfen können, um alle biochemischen Prozesse, die sie durchführen, anzutreiben.

Dieser Prozess erzeugt überschüssige Elektronen, die in den meisten Organismen an Sauerstoff weitergegeben werden (wodurch Wasser als Nebenprodukt erzeugt wird) oder im Fall von Mikroben, die in einer sauerstofffreien Umgebung wie Schlammsedimenten leben, die Elektronen werden an andere Mineralionen weitergegeben, die von der Zelle aufgenommen werden. Was Wissenschaftler in den letzten Jahren jedoch herausgefunden haben, ist, dass eine Reihe von Mikroorganismen Wege entwickelt haben, die überschüssigen Elektronen direkt aus der Zelle zu exportieren. Sie tun dies, indem sie die Elektronen entlang winziger molekularer Drähte bewegen, die etwa 2,5 nm aus der Zelloberfläche herausragen.

Mikrobielle Brennstoffzelle

Züchten Sie diese Bakterien auf einer Elektrode und Sie erhalten effektiv die Anodenhälfte einer Batterie. Koppeln Sie diese Anode mit einer Kathode, füttern Sie die Bakterien mit organischer Substanz auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise aus industriellem Abwasser, und Sie können eine mikrobielle Brennstoffzelle oder MFC bauen, die Strom erzeugt, wenn auch in kleinen Mengen.Shewanella oneidensis, ein Bakterium, das in Umgebungen gedeiht, die durch Schwermetalle kontaminiert sind, ist einer der Organismen, die diese Elektronenshuttling-Fähigkeit zeigen, und die Arbeit von Clarkes Gruppe an der UEA, die mit einem Team am Pacific Northwest National Laboratory des US-Energieministeriums (DoE) zusammenarbeitet, hat gezeigt, wie Shewanellas molekulare Drähte Elektronen aus der Zelle zu einer geeigneten Oberfläche transportieren können, auf der das Bakterium wächst.

“Die Ergebnisse unserer Experimente waren beeindruckend”, behauptet Dr. Clarke. “Diese bakteriellen Drähte sind effektiv wie die Verkabelung in einem Haus. Ein Strom floss unglaublich schnell hin und her und viel schneller als zur Atmung benötigt.”Shewanella als Stromquelle in einem Maßstab zu nutzen, der geeignet ist, Strom in ein nationales Stromnetz zurückzupflügen, wird wahrscheinlich nicht machbar sein, einfach weil die Organismen nicht genug Strom erzeugen”, fährt Dr. Clarke fort. Ihre Fähigkeit, Metallen und Mineralien Elektronen zu geben, kann jedoch für bioremediale Anwendungen genutzt werden, z. B. für die Reduktion von löslichen Schwermetallen im Boden in unlösliche Formen, die nicht ins Grundwasser gelangen können. Dies ist einer der Forschungswege, die die Forscher des Pacific Northwest Laboratory verfolgen.

Aber was noch spannender ist, behauptet er, ist das Potenzial, den umgekehrten Prozess zu nutzen: elektronen zurück in Bakterien wie Shewanella durch die Drähte setzen und die Mikroorganismen gentechnisch verändern, um nützliche Verbindungen, einschließlich Brennstoffe und Polymervorstufen, direkt aus Kohlendioxid herzustellen.

Bekannt als mikrobielle Elektrosynthese, ist dies im Grunde eine künstliche Photosynthese, bei der Pflanzen Zucker aus Sonnenlicht, CO2 und Wasser erzeugen. Aber anstatt Sonnenlicht selbst, werden die Bakterien Elektronen als Energiequelle akzeptieren, die sie verwenden, um Kohlenstoff-basierte Verbindungen aus CO2 zu produzieren.

Es ist bereits kommerziell möglich, photosynthetische Algen als Mittel zur Herstellung von Verbindungen zu züchten, die in Brennstoffe oder andere Produkte umgewandelt werden können. Wie Clarke jedoch betont, verschlingt dieser Ansatz große Landflächen und ist mit Umweltzerstörung verbunden. Im Gegensatz dazu könnte die mikrobielle Elektrosynthese überall dort genutzt werden, wo Sonnenlicht vorhanden ist, indem Photovoltaikmodule zur Stromversorgung der Bakterien und eine Quelle für Wasser und CO2-Gas (industrielles Abgas ist gut geeignet) verwendet werden, um die Bakterien zu füttern, damit sie kohlenstoffbasierte Produkte herstellen können.Die Elektrosynthese als Technologie unterscheidet sich auch von der Verwendung anderer Bakterien wie Escherichia coli und der Hefefermentation zur Herstellung chemischer Verbindungen. “Gentechnisch veränderte Bakterien und Hefen werden in kommerziellen Umgebungen häufig zur Herstellung von Proteinen und anderen Verbindungen, Zwischenprodukten und sogar Arzneimitteln verwendet, aber sie photosynthetisieren nicht, so dass Sie sie mit einem Zucker irgendeiner Art betanken müssen, was dem Prozess erhebliche Kosten hinzufügt”, erklärt Clarke. “Im Gegensatz dazu ist Strom billig und CO2 ist ein Abfallprodukt vieler industrieller Prozesse und der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Wenn wir Bakterien wie Shewanella mit Elektronen versorgen können, indem wir sie beispielsweise auf Elektroden platzieren, die mit Sonnenkollektoren verbunden sind, und ihnen CO2 als Kohlenstoffquelle geben, könnten wir diesen künstlichen Photosyntheseprozess nutzen, um hochwertige Produkte zu erzeugen.”

Eine ökologische Win-Win-Situation

Die Fähigkeit von Shewanella und anderen Mikroorganismen, Elektronen zu und von Elektroden (und damit den Geräten, mit denen sie verbunden sind) zu leiten, ist ein Gebiet, das als Elektromikrobiologie bekannt ist. “Aus ökologischer Sicht ist es eine Win-Win-Situation”, sagt Professor Korneel Rabaey vom Institut für biochemische und mikrobielle Technologie der Universität Gent.Zuvor war Professor Rabaey als Gründer des Zentrums für mikrobielle Elektrosynthese an der University of Queensland maßgeblich an der Implementierung einer Pilotanlage für mikrobielle bioelektrochemische Systeme (BES) in einer Foster’s Brewery in Yatala, Queensland, vor fünf Jahren beteiligt. Diese Pilotanlage nutzte Bakterien, um aus dem brauereieigenen Abwasser elektrischen Strom zu erzeugen und Natronlauge herzustellen, die die Brauerei in großen Mengen zur Reinigung ihrer Tanks benötigt. Ein ähnliches Pilotprojekt wurde inzwischen in einer Papierfabrik etabliert, um das im Produktionsprozess benötigte Wasserstoffperoxid zu erzeugen.Die Arbeit der University of Queensland hat darüber hinaus zur Gründung eines Spin-out-Unternehmens, Bilexys, geführt, das bioelektrochemische Systeme entwickelt, die die Abwasserbehandlung mit der kommerziellen Produktion von Chemikalien verbinden. “Diese Pilotanlagen zeigen, dass das Konzept in der realen Welt funktioniert und der Industrie Möglichkeiten bieten könnte, die vor Ort benötigten Chemikalien mit sehr geringem Energieeinsatz zu erzeugen und gleichzeitig ihre Abfälle zu reinigen”, kommentiert Prof. Rabaey. “Wenn mehr dieser Pilotanlagen in Betrieb gehen, wird die Technologie als kommerziell rentabel angesehen und die weitere Entwicklung neuer Prozesse vorantreiben.”

Biofactories powered by electron

Es ist wichtig, zwischen dem generalisierten Konzept der Nutzung von Bakterien zur Abwasserreinigung und der Nutzung der bioelektrochemischen Synthese durch Organismen wie Shewanella zu unterscheiden”, betont Prof. Rabaey. “Die Behandlung von Abwasser mit anaeroben Bakterien zum Abbau des organischen Gehalts ist allgemein anerkannt und wird häufig zur Herstellung von methanreichem Biogas eingesetzt.” Tatsächlich gibt es allein in Europa über 3.000 Anlagen, die auf diese Weise Biogas produzieren, mit einem Bakterienmix, der komplexe Kohlenstoffverbindungen in immer kleinere Bestandteile zerlegen kann”, betont er.

“Was wir noch nicht können, ist die Herstellung sauberer, hochwertiger Chemikalien aus Abwasser, und hier könnte die bioelektrochemische Synthese durch Bakterien wie Shewanella die Herstellung von Kraftstoffen, Biopolymeren und anderen Substanzen aus Abwasser mit nur billigen Stromquellen revolutionieren. Die Bakterien können bereits einige kleine Moleküle herstellen, aber wir hoffen, die Mikroorganismen gentechnisch so zu konstruieren, dass sie komplexere Moleküle produzieren, ähnlich wie wir jetzt Hefe und das Bakterium E. coli als Biofabriken konstruieren können. Bei der bioelektrochemischen Synthese müssen wir jedoch keine Zucker als Bausteine in die Organismen stecken, um das Endprodukt herzustellen.”

Die Arbeit an diesem Ziel steckt jedoch noch in den Kinderschuhen. “Auf der einen Seite haben wir Bakterien wie Shewanella, die mit billigem Strom künstliche Photosynthese betreiben können, aber derzeit nur eine begrenzte Anzahl nützlicher Verbindungen herstellen können”, sagt Prof. Rabaey. “Auf der anderen Seite haben wir ein Arsenal von Mikroorganismen – wie E. coli und Hefe –, die die biologische Maschinerie haben, die notwendig ist, um eine große Anzahl nützlicher Verbindungen zu produzieren, und die relativ leicht konstruiert werden können, aber nicht die Elektronenshuttling-Maschinerie aufweisen, die erforderlich ist, um sie mit Elektrizität zu versorgen.”Die Arbeit an der Entwicklung von Technologien, mit denen Wissenschaftler elektronenakzeptierende Bakterienarten wie Shewanella, Geobacter und Arten des Bakteriums Clostridium modifizieren können, wird von Professor Derek Lovley an der University of Massachusetts (UMass) in Amherst vorangetrieben, der 1987 die erste Art von Geobacter, bekannt als Geobacter metallireducens, in Sandsedimenten im Potomac River entdeckte.

Bakterielle Leitfähigkeit

Professor Lovley leitet das Geobacter-Projekt (www.geobacter.org) am UMass, das sowohl die stromerzeugenden – also mikrobiellen Brennstoffzellen – als auch die elektrobiosynthetischen Fähigkeiten des Bakteriums untersucht. Lovleys Denken spiegelt das von Clarke und Rabaey wider, da er glaubt, dass es unwahrscheinlich ist, dass wir die Entwicklung von Geobacter- oder Shewanella-basierten Kläranlagen sehen werden, die große Mengen an Strom als Nebenprodukt erzeugen. “Unsere Arbeit an mikrobiellen Brennstoffzellen bezieht sich hauptsächlich auf vom US Office of Naval Research finanzierte Projekte, bei denen es darum geht, Strom aus dem Schlamm am Meeresboden zu gewinnen, um Überwachungsgeräte zu betreiben, die nur wenig Strom benötigen.”Eine mögliche Anwendung der Stromerzeugungskapazität von Geobacter könnte die Entwicklung bioelektrischer Sensoren für organische Verbindungen sein”, schlägt Prof. Lovley vor. “Bei diesem Sensortyp würden die Bakterien an eine Elektrode gekoppelt und ein positives Ergebnis als kleiner elektrischer Strom registriert.” Es geht darum, darüber nachzudenken, wie man die Stromerzeugungsfähigkeiten relevanter Organismen eher im kleineren als im größeren Maßstab nutzen kann. “Anwendungen, bei denen Sie nicht viel Strom erzeugen müssen, bieten gute Möglichkeiten für mikrobielle Brennstoffzellen und Organismen, die DEET ausführen können.”

Die Bioremediationsanwendungen sind dagegen vielfältig, betont Prof. Lovley. Eines der UMass-Projekte in Zusammenarbeit mit Ölunternehmen zielt darauf ab, die Fähigkeit von Geobacter zur Oxidation organischer Stoffe zu nutzen, um Kohlenwasserstoffkontaminanten aus Boden und Grundwasser zu entfernen. Die Arbeit der UMass-Teams versucht nun, den genetischen Code verschiedener Geobacter-Arten abzubilden, und dies sollte dazu beitragen, vorherzusagen, wie sich die Bakterien unter verschiedenen Umweltbedingungen verhalten werden, und es den Wissenschaftlern ermöglichen, die besten Stämme des Organismus zu bestimmen Aktivitäten wie die Reinigung spezifischer Verunreinigungen.UMass Forschung über den Prozess der Elektrosynthese (putting Elektronen zurück in die Bakterien) konzentriert sich auf andere Mikroorganismen, wie Arten von Clostridium, die scheinen viel besser geeignet als Geobacter für Anwendungen, in denen die Organismen mit Elektronen angetrieben werden, um Produkte aus Kohlendioxid zu erzeugen, fügt Prof. Lovley. “Geobacter ist der bessere der beiden Organismen zur Stromerzeugung, während Clostridium gut für elektrosynthetische Anwendungen geeignet ist.”Was die Forscher jedoch noch nicht wissen, ist, wie Clostridium seine Elektronen in und aus der Zelle bekommt. Der Organismus produziert keine molekularen Drähte wie Shewanella und Geobacter. “Clostridium scheint eine völlig andere äußere Chemie zu haben als Shewanella, und wir hoffen, in den kommenden Jahren zu erreichen, wie es funktioniert.

Optimierung der Bioproduktion

Einer der großen technologischen Durchbrüche des UMass-Teams kam letztes Jahr mit der Entwicklung einer Bioengineering-Plattform, die es Wissenschaftlern ermöglichen wird, die Clostridium-Spezies genetisch so zu modifizieren, dass der Mikroorganismus das CO2 und die elektrische Energie nutzt, um sehr einfache organische Verbindungen herzustellen und sie in kompliziertere Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. “Es ist die gleiche Grundidee wie bei der Manipulation anderer Bakterien, dass man einige Gene herausnehmen und andere hineinstecken kann, um die Zelle anzuweisen, die gewünschte Verbindung herzustellen oder einen Vorläufer oder Baustein herzustellen, der leicht modifiziert werden kann das Endprodukt.”Darüber hinaus könnten weitere Einblicke in die Struktur von Nanofilamenten, die von Arten wie Geobacter und Shewanella produziert werden, den Weg für die Entwicklung von Mikroschaltungen ebnen, die auf biologischer Verdrahtung basieren und einen völlig neuen Ansatz für die Schnittstelle von Biologie und Elektronik darstellen. Lovley schlägt beispielsweise vor, dass Geobacter Transistoreigenschaften aufweist und als Superkondensatoren für die Elektronenspeicherung fungieren kann.

“Dies bietet das Potenzial, mikrobielle elektronische Komponenten aus kostengünstigen Rohstoffen für die Massenproduktion zu züchten. Die mikrobiellen Drähte sind für ein biologisches Protein außerordentlich langlebig, und Bioelektronik hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie in Wasser funktionsfähig ist.” Die praktischen Anwendungen solcher Technologien befinden sich jedoch noch in der Konzeptionsphase.Stellen diese schlamm- und bodenbewohnenden Mikroorganismen also ein Versprechen billiger Energie für alle dar? Es scheint unwahrscheinlich, dass DEET den Durst der Welt nach Elektrizität realistisch stillen wird, obwohl sich die Fähigkeit dieser Bakterien, elektrischen Strom zu erzeugen, für die Entwicklung mikrobieller Biosensoren und kleiner Biobatterien auf Brennstoffzellenbasis als nützlich erweisen könnte. Weitaus wahrscheinlicher ist, dass Geobacter, Clostridium und Shewanella weit verbreitete und kommerziell tragfähige Anwendungen in Bereichen wie der Bioremediation und Abwasserreinigung sowie der Synthese wertvoller industrieller Verbindungen, Zwischenprodukte und Kraftstoffe haben werden.

Die kartoffelbetriebene Uhr ist eine nostalgische Rückblende aus dem Biologieunterricht der meisten von uns, aber eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern glaubt, dass die Stromerzeugung aus bakteriellen Organismen eine praktikable Option werden könnte.Neue Erkenntnisse über die Mechanik eines neuartigen Aspekts der Bakterienatmung könnten dazu beitragen, die Entwicklung mikrobieller Kraftwerke zu beschleunigen, die Strom aus industriellem Abwasser…

Die kartoffelbetriebene Uhr ist eine nostalgische Rückblende aus dem Biologieunterricht der meisten von uns, aber eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern glaubt, dass die Stromerzeugung aus bakteriellen Organismen eine praktikable Option werden könnte.Neue Erkenntnisse über die Mechanik eines neuartigen Aspekts der Bakterienatmung könnten dazu beitragen, die Entwicklung mikrobieller Kraftwerke zu beschleunigen, die Strom aus industriellem Abwasser…

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