Der Strom der Mikroben

Durch einen Zufall wurden vor gut 30 Jahren Bakterien entdeckt, die Strom produzieren können. Seitdem häufen sich die Ideen, ihr Potenzial im Alltag zu nutzen.

Die winzigen, stäbchenförmigen Bakterien Geobacter sulfurreducens eignen sich für biologische Brennstoffzellen. Foto: Eye of Science / SPL

Die winzigen, stäbchenförmigen Bakterien Geobacter sulfurreducens eignen sich für biologische Brennstoffzellen. Foto: Eye of Science / SPL

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Eigentlich wollte Derek Lovley nur herausfinden, weshalb es in der Chesapeake Bay bei Washington D.C. plötzlich eine Algenblüte gab. Er zog los, an den Potomac River, und nahm Proben. Mehr als dreissig Jahre ist das jetzt her, und er ahnte damals nicht, dass diese Geschichte seinem Forscherleben eine entscheidende Wendung geben würde: Als Ursache für die explosionsartige Vermehrung der Algen entdeckte der Mikrobiologe damals Bakterien, die tatsächlich Strom produzieren können. Er nannte die stäbchenförmigen Bakterien GS-15, nach der Sedimentprobe, in der er sie gefunden hatte.

Erst später erkannten Lovley und seine Kollegen, welche Bedeutung die Mikroorganismen für das Ökosystem haben, und gaben ihnen den Namen, unter dem sie heute bekannt sind: Geobacter metallireducens. Im Labor fanden die Forscher heraus, dass die stäbchenförmigen Mikroben der Familie Geobacter Elektronen, also elektrische Ladungsträger, auf Rost übertragen und diesen in magnetisches schwarzes Eisenoxid umwandeln können.

Eine Metamorphose, bei der sich im Flusssediment algenfördernde Phosphate lösen können. Anders als andere Bakterien schleust Geobacter Elektronen, die bei praktisch allen Stoffwechselprozessen in biologischen Zellen ausgetauscht werden, durch die Zellmembran nach aussen und gibt sie dort über mikroskopisch feine «Haare» an Mineralien, Metalle oder andere Mikroben weiter.

Energie aus Abwasser

«Wir waren glücklich, dieses Bakterium gefunden zu haben», sagt Lovley, der damals für die U.S. Geological Survey arbeitete und derzeit an der University of Massachusetts Amherst forscht. «Wir hatten zu dieser Zeit aber keine Vorstellung davon, welche weiteren Fähigkeiten Geobacter hat.» Heute ist klar, dass Bakterien wie die aus dem Potomac beim Verdauen organischer ­Stoffe, etwa Pflanzen- oder Tierresten, regelrecht elektrische Ströme fliessen lassen können. ­Anders gesagt: Sie können aus Abwasser Energie gewinnen.

Die Kombination aus Biomüll-Abbau und Stromproduktion beschäftigt inzwischen Forscher auf der ganzen Welt. Die Zahl der wissenschaftlichen Publikationen ist mittlerweile vierstellig pro Jahr. Auch in Lovleys Labor übernehmen Mikroben aus dem Potomac längst höhere Aufgaben. So ist es möglich, dass ein rotes Lämpchen auf einem Glas voll Schlamm blinkt. Es ist ein batterieähnliches Konstrukt, das Elektrochemiker «mikrobielle Brennstoffzelle» nennen.

«Mit einer mikrobiellen Brennstoffzelle kann man auch kleinere Geräte auf­laden, einen Taschenrechner zum Beispiel.»Derek Lovley, University of Massachusetts

Geobacter macht sich über ­organische Stoffe im Schlamm her und leitet die dabei frei werdenden elektrischen Ladungen an Elektroden, die im Gefäss ­stecken. Auf diese Weise fliesst Strom, der die Lampe zum Leuchten bringt. «Mit einer mikrobiellen Brennstoffzelle kann man auch kleinere Geräte auf­laden, einen Taschenrechner zum Beispiel oder eine Uhr», sagt Lovley.

Es gibt bereits Ideen, um die elektroaktiven Mikroben dem Menschen zunutze zu machen. Die Nasa will zum Beispiel mit mikrobieller Hilfe aus Astronauten-Urin Elektrizität im All erzeugen. Start-ups wie Aquacycl aus Kalifornien und Forscher im EU-Projekt Imetland testen Zellen für die energieautarke ­Abwasserreinigung in Regionen ohne öffentliches Stromnetz.

Immerhin enthalten Abwässer vier- bis fünfmal mehr in organischem Material gebundene Energie, als für den Betrieb einer Kläranlage nötig ist. Wie diese am besten geerntet werden kann, testen auch Forscher der TU Clausthal in einem Pilotprojekt in einer Kläranlage im Harz-Ort Clausthal-Zellerfeld. Zwei Metallcontainer voller Brennstoffzellen reinigen hier 4000 Liter Abwasser täglich.

Stromernte steigern

«Die Bakterien sind im Abwasser schon vorhanden und siedeln sich ganz automatisch auf den Elektroden an», sagt Uwe Schröder von der Technischen Universität Braunschweig, der ebenfalls am Projekt beteiligt ist. Sein Team versucht dennoch, gezielt «Bakterien-WGs» zusammen­zustellen, um die Stromernten zu steigern und verlässlicher zu machen.

«Vielfalt ist dabei offenbar wichtig und dass die Biofilme möglichst dick sind», betont der Elektrochemiker. «Zurzeit haben wir typischerweise 500 bis 1000 Bakterienschichten auf einer Elektrode, die einen ungefähr ein Zehntel Millimeter dicken Biofilm bilden.»

Damit erreicht sein Team Ströme im Milliampere-Bereich pro Quadratzentimeter – zu wenig für einen energieautarken Betrieb der Anlage. Doch in einem fünfjährigen Folgeprojekt wollen die Forscher eine eigenständige, technisch ausgefeilte Kleinkläranlage aufbauen, die mehr Strom produziert, als sie verbraucht.

Noch unklar ist, was sich im Detail in den Biofilmen an den Elektroden abspielt und wie die Elektronen ausserhalb der Bakterienzellen transportiert werden. Eine zentrale Rolle spielen offenbar die mehrere Mikro­meter langen, nanometerdünnen Haare, die von der Zellmembran abstehen wie bei einer Kurzhaar­frisur. Diese Nanodrähte bestehen aus zu einer Art Kordel ineinander verschlungenen Aminosäuren und haben einen Mantel aus sogenannten Cytochromen, die wie der Blutfarbstoff Hämoglobin Eisen enthalten.

Dünn wie Spinnenfäden

Wo und wie genau der Strom hier fliesst, darüber streiten die Experten noch. «Das Thema ist einfach zu jung für abschliessende Antworten. Noch vor 15 Jahren hat ja niemand gedacht, dass ­biologische Systeme überhaupt Elektronen über längere Strecken transportieren könnten», sagt Schröder.

Mittlerweile sind Mikroben ­bekannt, die nicht nur Mikro­meter-Distanzen überbrücken können. Im Jahr 2012 hatten Forscher der dänischen Aarhus University diese sogenannten Kabelbakterien entdeckt, die stromleitende Stapel aus rund 1000 elektroaktiven Bakterienzellen bilden – dünn wie Spinnenfäden und mehr als fünf Zentimeter lang. Allerdings lässt sich diese Spezies bisher wohl nicht im Labor kultivieren.

«Mit einer ­mikrobiellen Brennstoffzelle kann man auch kleinere Geräte wie eine Uhr aufladen.»Derek Lovley, University of Massachusetts

Sind die Mechanismen des bakteriellen Elektronentransports erst geklärt, würde dies auch Buz Barstow von der Cornell University im US-Bundesstaat New York nützen. Er plant, das Prinzip der mikrobiellen Brennstoffzelle umzukehren. Statt die Bakterien organische Substanzen abbauen zu lassen und dabei an den Elektroden Strom abzuzapfen, will sein Team die Mikroben mit Elektronen füttern, damit diese dann aus Agrarabfällen oder Kohlendioxid Brennstoffe, Kunststoffe oder Industriechemikalien aufbauen.

Die batterieähnlichen Zellen für eine solche «Elektrosynthese» könnten etwa mit Strom aus Solar- oder Windkraftanlagen gespeist werden. «So könnte künftig überschüssiger Solar- oder Windstrom in chemischen Verbindungen gespeichert werden», sagt Barstow.

Bisher fehlten allerdings die passenden Bakterien dafür. Denn Arten, die sich gut vermehren lassen, können kein Kohlendioxid binden. Und solche, die das Treibhausgas einfangen können, sind sehr empfindlich und nur schwer zu handhaben. Mithilfe gentechnischer Eingriffe ins Erbgut wollen die Wissenschaftler nun beide Eigenschaften in einem Bakterium kombinieren.

Immer mehr neue Gattungen

Bisher kaum ergründet ist, wie Elektromikroben den globalen Kohlenstoffkreislauf beeinflussen und welche Rolle sie in der Erdgeschichte spielten. Theoretisch könnten sie schon in den Anfängen existiert haben, als es noch keine Atmosphäre gab. Schliesslich findet man sie überall dort, wo Sauerstoff rar ist, in Pfützen, Seen und Ozeanen, in Mooren Sümpfen und im Boden.

Auch die Häufigkeit der Elektromikroben spricht für einen bedeutenden Einfluss, obgleich sie lange als Exoten galten. «Wirkennen heute mehr als 100 verschiedene Gattungen, und das ist sicher nur die Spitze des Eisbergs», betont Schröder. Immer wieder werden neue Typen gefunden.

Vor einem Jahr beispielsweise berichteten Forscher der University of California in Berkeley im Journal «Nature», dass auch Listerien, die zum Teil üble Lebensmittelvergiftungen verursachen, elektroaktiv sind, ebenso wie Laktobazillen in Joghurt, Käse oder Sauerkraut und sogar manche Darmbakterien. Was genau Letztere unter Strom setzen, ist allerdings noch nicht bekannt.

Erstellt: 03.10.2019, 17:56 Uhr

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