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Shewanella oneidensis kann auch ohne Sauerstoff mit Strom leben.
Shewanella oneidensis kann auch ohne Sauerstoff mit Strom leben. (Bild: Wikimedia/CC-BY-SA 2.5)

Bakterien in der Brennstoffzelle

Damit die chemischen Reaktionen zur Abgabe der Elektronen überhaupt zustande kommen, müssen sie katalysiert werden. Dazu benutzen alle Lebewesen komplexe Proteinstrukturen, Enzyme, die ein möglichst perfektes Umfeld dafür schaffen. Einige der chemischen Reaktionen, die von bakteriellen Enzymen katalysiert werden, sind technisch relevant. Ein Beispiel ist die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.

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In Brennstoffzellen wird sie durch Platin katalysiert, was ein teurer Rohstoff ist. Das führte zu der Idee, Bakterienfilme anstatt von Platinkatalysatoren zu benutzen. Die Leistungsdichten von einigen Watt pro Kubikmeter sind dabei aber sehr niedrig.

Ein Nebenprodukt der Forschung an solchen biologischen Brennstoffzellen war eine neue Möglichkeit der Abwasseraufbereitung. Um das organische Material im Abwasser abzubauen, benötigen die Bakterien und anderen Lebewesen in Kläranlagen große Mengen Sauerstoff. Diesen Sauerstoff durch Vermischung von Luft und Wasser bereitzustellen, ist sehr ineffizient und einer der wesentlichen Kostenfaktoren von Kläranlagen.

Bakterien vernetzen sich im Biofilm

Mit einem passenden Biofilm auf einer Elektrode entfällt dagegen die Notwendigkeit für den Sauerstoff, stattdessen können die Elektronen durch eine Elektrode direkt abgeführt werden, wobei sogar Energie frei wird. Aber auch diese Technik ist nicht ausgereift und wird wohl nie ohne weitere Anlagen auskommen, um Reste aus dem Abwasser auch noch zu entfernen.

Von allen technischen Anwendungen abgesehen, ist der größte Fortschritt das Potenzial für weitere Forschung. Schon die Untersuchung der ausgebildeten Biofilme an Elektroden zeigte, dass die Bakterien in einem Film auch untereinander elektrische Verbindungen ausbilden. Dadurch gibt es eine direkte Verbindung zwischen dem Untergrund, auf dem der Biofilm haftet, und der Oberfläche.

Auf diese Weise können die Bakterien die Elektronen im Biofilm einfach weiterreichen, für die sie sonst selbst eine Entsorgungsmöglichkeit hätten finden müssen. Umgekehrt können die unteren Schichten im Film von diesen Elektronen profitieren, ohne selbst Nährstoffe aus dem Wasser aufnehmen zu müssen, zu dem nur die oberen Schichten Zugang haben.

Die Köder sind ausgelegt

Elektrischer Strom half den Forschern auch, einige Bakterienarten überhaupt im Labor zu züchten. Derzeit lassen sich bestenfalls zwei Prozent der bekannten Bakterienspezies im Labor kultivieren. Elektroden mit einer bestimmten Spannung haben sich als ein neuer Weg bewährt, bestimmte Spezies anzusiedeln und untersuchen zu können. Je nach angelegter Spannung siedeln sich verschiedene Spezies an den Elektroden an oder vermeiden sie aktiv.

Forscher sind inzwischen dazu übergegangen, in bestimmten Umgebungen wie verlassenen Minenschächten oder Sedimenten am Meeresboden nach Bakterien zu angeln. Elektroden mit verschiedenen angelegten Spannungen sind dabei der Köder. Dabei hat sich herausgestellt, dass auch viele schon bekannte Bakterienarten in der Lage sind, eine Elektrode als Oxidator zu verwenden. Das gilt sogar für Schwefelbakterien, bei denen das bisher nicht vermutet wurde.

Die Bakterien reagieren dabei sehr empfindlich auf die genaue Spannung. Im Labor veränderte sich die Genexpression von Bakterien messbar innerhalb von nur einer Stunde, nachdem die Spannung um 0,1 Volt verändert wurde. Andere Teile ihres Erbgutes als zuvor wurden in den Bakterien abgelesen, als Messenger-RNA verpackt und zur Bildung von den Proteinen benutzt, die alle lebensnotwendigen Funktionen des Bakteriums ausmachen.

Wohin genau dieser Zweig der Forschung noch führen wird, wissen die Forscher selbst nicht. Es bleibt ihnen nichts anderes übrig, als die Köder auszuwerfen und zu schauen, was da zappelt.

 Bakterien: Stromfresser können auch nützlich sein

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Spike79 15. Jul 2016

Wenn das Wasser so sauber ist, dass nicht mal Fische darin überleben können, ist es...



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