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Bakterien: Stromfresser können auch nützlich sein

Mit Regenwürmern fängt man Fische - und mit Strom ködern Forscher ungewöhnliche Bakterien. Sie hoffen, dass die nicht nur bei der Abwasseraufbereitung nützlich sein werden.

Artikel von veröffentlicht am
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)

Alles Lebendige muss von etwas leben. Lebewesen vom Menschen über den Fisch bis hin zum kleinsten Bakterium beziehen ihre Energie aus chemischen Reaktionen. Dabei ist das Leben beim Energieträger nicht wählerisch. Wenn eine chemische Reaktion zwischen wasserlöslichen Chemikalien Energie freisetzt, sind die Chancen gut, dass es ein Bakterium gibt, das davon leben kann. Und derartige Nährstoffe zu "fressen" und Oxidatoren zu "atmen" gibt es viele.

Inhalt:
  1. Bakterien: Stromfresser können auch nützlich sein
  2. Bakterien in der Brennstoffzelle

Forschern ist es gelungen, einen Teil davon durch elektrischen Strom zu ersetzen. Sie erhoffen sich dadurch neue Wege zur Abwasseraufbereitung und Stromherstellung. Vor allem aber haben sie es geschafft, mit Strom als Köder Bakterien zu untersuchen, die sich bisher nicht im Labor kultivieren lassen. Dabei fanden sie stromfressende Bakterien auch an ungewöhnlichen Orten.

Die bekanntesten Nährstoffe sind organische Kohlenhydrate. Aber einige Bakterienarten können auch Wasserstoff, Schwefel oder noch nicht vollständig oxidiertes Eisen oder Mangan benutzen. Allen Nährstoffen gemeinsam ist, dass sie im Lauf der chemischen Reaktionen bei der Verarbeitung in der Zelle Elektronen abgeben. Alle chemischen Reaktionen bestehen aus den Interaktionen der Elektronen. Der Biochemiker und Nobelpreisträger Albert Szent Gyorgi brachte es auf die Formel: "Alles Leben ist nichts weiter als ein Elektron auf der Suche nach einem Ort zum Bleiben."

Damit überhaupt irgendein Prozess ablaufen kann, braucht die Zelle auch noch einen Stoff, der die Elektronen am Ende des Prozesses aufnimmt. Sauerstoff ist einer der besten Stoffe dafür. Er steht weit oben in der elektrochemischen Spannungsreihe, weshalb chemische Reaktionen mit Sauerstoff und beinahe beliebigen Nährstoffen immer Energie freisetzen. Aber auch andere Stoffe können dem gleichen Zweck dienen, solange sie nur in der Spannungsreihe oberhalb des Nährstoffs stehen.

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Es ist die gleiche Spannungsreihe, mit der auch die Spannung von Batterien und Brennstoffzellen berechnet wird. So einfach dargestellt, ist es vielleicht nicht überraschend, dass Bakterien wenigstens einen Teil ihrer Energieversorgung auch durch Strom decken können sollten. Trotzdem ist das erst vor kurzem auch beobachtet worden.

Das unmögliche Elektron

Einer der wichtigsten Teile der Bakterien ist die Zellmembran. Sie trennt die Außenwelt von den kontrollierten Bedingungen, die für das Funktionieren einer Zelle im Inneren nötig sind. Nur durch spezielle Kanäle können Stoffe kontrolliert in die Zelle hinein- oder aus ihr herausgelangen. Elektronen gehören nicht dazu, weil sie unter normalen Bedingungen nicht wasserlöslich sind. Ohne einen direkten Weg aus dem Bakterium heraus sind die Elektronen auf einen wasserlöslichen Träger angewiesen.

Im Lake Oneida, einem 34 Kilometer langen und 8 Kilometer breiten See im US-Bundesstaat New York, fand sich 1988 ein erster Hinweis darauf, dass es vielleicht noch andere Möglichkeiten gibt. Biologen wurden darauf aufmerksam, dass sich Mangan(IV)oxid im Schlick am Boden des Sees etwa 1.000-mal so schnell im Wasser löste, wie es das normalerweise tun sollte. Dabei wird es in Mangan(II)oxid umgewandelt, wofür das Mangan zwei Elektronen aufnehmen muss.

Die Geschwindigkeit deutete darauf hin, dass biologische Prozesse eine Rolle spielen. Das nicht wasserlösliche Mangan(IV)oxid sollte dafür gar nicht infrage kommen. Aber es fand sich dort ein Bakterium, das später den Namen Shewanella oneidensis erhielt. Wie sich herausstellte, befinden sich in der Zellmembran von Shewanella Ketten von Enzymen, die Elektronen einander weiterreichen - bis aus der Zelle hinaus.

Mit Hilfe ihrer Zellmembran können diese Bakterien auch feste Mangan(IV)oxid Partikel benutzen, um Elektronen abzugeben, auch wenn kein Sauerstoff mehr für diesen Zweck vorhanden ist. Die Bakterien sind dabei sehr flexibel und können auch andere Stoffe benutzen, im Extremfall auch im Wasser gelöste Schwermetalle wie Blei oder Uran. Sobald der Sauerstoff ausgeht, bilden die Bakterien aus ihrer Zellmembran lange Arme aus. Es sind biologische Nanodrähte, mit denen sie ihre Reichweite vergrößern und damit besser Chancen auf Kontakt mit Stoffen haben, an die sie Elektronen abgeben können.

Bakterien in der Brennstoffzelle 
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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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Von Oliver Nickel


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