Bakterien: Stromfresser können auch nützlich sein
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.
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(öffnet im neuen Fenster).
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(öffnet im neuen Fenster) 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(öffnet im neuen Fenster), 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.
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(öffnet im neuen Fenster), 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(öffnet im neuen Fenster) 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(öffnet im neuen Fenster).
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.
In Brennstoffzellen wird sie durch Platin katalysiert, was ein teurer Rohstoff ist. Das führte zu der Idee, Bakterienfilme anstatt von Platinkatalysatoren zu benutzen(öffnet im neuen Fenster). Die Leistungsdichten von einigen Watt pro Kubikmeter sind dabei aber sehr niedrig(öffnet im neuen Fenster).
Ein Nebenprodukt der Forschung an solchen biologischen Brennstoffzellen war eine neue Möglichkeit der Abwasseraufbereitung. Um das organische Material im Abwasser abzubauen(öffnet im neuen Fenster), 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(öffnet im neuen Fenster). 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(öffnet im neuen Fenster) 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.
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