Elektrisierende Bakterien

TEM-Aufnahmen von PPy-beschichtetem (l.) und nativem S. oneidensis MR-1. (Bild: Song et al. / Wiley-VCH)

Manche Mikroorganismen können unter anaeroben Bedingungen Strom erzeugen. Auf diese Fähigkeit greift man bei der mikro­biellen Brennstoff­zelle zurück, die besonders für Klärwerke interessant ist. Ein Schwach­punkt ist dabei die nach wie vor unbefrie­digende Energie­dichte. Wissen­schaftler aus Singapur und China präsen­tieren jetzt eine unkonven­tio­nelle Lösung: Sie haben lebende, elektro­aktive Bakterien mit einem leit­fähigen Polymer beschichtet und damit die Leistungs­fähigkeit der bio­elektro­chemischen Zelle entscheidend erhöht.

Die Geschichte der mikrobiellen Brennstoffzelle reicht bis Anfang des 20. Jahrhunderts zurück. Damals verbanden Wissen­schaftler zum ersten Mal Bakterien­zellen mit Elek­troden und erhielten Strom. Dies funktioniert, weil der Stoff­wechsel der Bakterien – wenn kein Sauerstoff zugegen ist – in einen Modus wechselt, in dem er die chemische Energie anstelle in die Produktion von Kohlen­dioxid und Wasser in die von Protonen und Elektronen steckt. Diese Elektronen kann man in einer elektro­chemischen Zelle zur Strom­gewinnung verwenden.

Solche mikrobiellen Brennstoffzellen werden derzeit im Bereich nachhaltiger Energie­produktion und insbe­sondere bei der Wasser­aufbe­reitung intensiv erforscht. Ihr Schwach­punkt ist die Energie­dichte. Ein großer Teil des elektro­chemischen Potenzials der Bakterien liegt brach, weil die Bakterien­zellen ihre produ­zierten Elektronen nicht and die Elektrode weiter­leiten können. Um die Bakterien leit­fähig zu machen, erforschen Qichun Zhang von der Nanyang Techno­logical University in Singapur und seine Kollegen die Möglich­keit, diese in eine Hülle von leit­fähigen Polymeren einzu­schließen. Allerdings müssen die beschich­teten Bakterien dabei natürlich lebensfähig bleiben.

Geeignet als Beschichtungsmaterial erschien den Wissen­schaftlern das Polymer Polypyrrol. Sie hofften, durch die Modifikation der Bakterien­zellen mit Polypyrrol die elektrische Leit­fähigkeit der Bakterien­zellen steigern zu können, ohne die Vitalität zu beein­trächtigen. Als oxidativen Starter, um Pyrrol-Monomere auf der (Bakterien-)Ober­fläche zu polyme­risieren, verwendeten sie Eisen­ionen. Für die Versuche wählten sie das Proteo­bakterium Shewanella oneidensis, das Metalle gut toleriert und sowohl aerob als auch anaerob leben kann.

Nach der Beschichtung waren die Bakterien tatsächlich weiter lebendig und aktiv, sodass sie mit einer Kohlenstoffanode auf die Entwicklung von Biostrom hin getestet werden konnten. Dabei stieg die Leit­fähigkeit um das 23-fache, die Stromerzeugung wuchs um das Fünffache, und die maximale Energie­dichte der Anode war 14-mal höher als bei der unbeschich­teten Variante. Bei Fütterung mit Laktat als Nährstoff beobachteten die Autoren einen beträchtlichen Strom, im Gegensatz zu den unbeschich­teten Bakterien, die gar keinen Strom lieferten.

Mit dieser Strategie der Gruppe um Zhang könnte man das Leit­fähig­keits­problem von mikro­biellen Anoden auf bemerkens­werte Weise lösen. Die Beschichtung von lebenden Bakterien könnte, so die Autoren der Studie, der Erforschung von mikro­biellen Brennstoff­zellen eine neue Dimension verleihen, ganz zu schweigen von der grund­legenden Forschung, wie man Zell­ober­flächen modifizieren kann. (Quelle: Wiley-VCH)

Referenz: R.-B. Song et al.: Living and Conducting: Coating Individual Bacterial Cells with In Situ Formed Polypyrrole, Angew. Chem., online 26. Juni 2017; DOI: 10.1002/ange.201704729

Link: Forschungsgruppe Exotic Materials and Applications (Q. Zhang), Nanyang Technological University, Singapur

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