Kraftwerk: Bakterien liefern Strom

KIT-Forscher bauen ein Kraftwerk mit Mikroorganismen.

Artikel veröffentlicht am 14. Mai 2020, 7:12 Uhr, Werner Pluta

Die Bakterien (grün) sind in einem Kompositmaterial aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (grau) und Kieselsäure-Nanopartikeln (lila) verwoben mit DNA (blau) eingebettet. (Bild: Niemeyer-Lab, KIT)

Ein lebendes Kraftwerk: Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nutzen Mikroben, um elektrischen Strom zu erzeugen.

Stromlieferant ist Shewanella oneidensis, ein exoelektrogenes Bakterium. In seiner Zellmembran befinden sich Ketten von Enzymen, die Elektronen einander weiterreichen und zur Außenseite der Zelle transportieren. Diese Bakterien sind bekannt. Bisher war es aber nicht möglich, ihre Elektrizität zu nutzen.

Das gelang den KIT-Forschern um Christof Niemeyer. Sie entwickelten ein Nanokompositmaterial, welches das Wachstum der Bakterien fördert und es gleichzeitig ermöglicht, den Strom kontrolliert zu leiten. Auf dem Gerüst siedelten die Wissenschaftler Shewanella oneidensis an. Eine Flüssigkeit liefert die Nährstoffe für das Bakterium.

Das Material muss zum einen die Elektronen zu einer Elektrode leiten. Zum anderen muss es möglichst viele Bakterien optimal mit der Elektrode verbinden. "Wir haben dazu ein poröses Hydrogel hergestellt, das aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kieselsäure-Nanopartikeln besteht. Diese sind durch DNA-Stränge miteinander verwoben", sagte Niemeyer.

Die Kombination war erfolgreich: Die Bakterien siedelten sich in den leitfähigen Materialien an. Je mehr von ihnen die leitfähige Matrix besiedelten, desto stärker wurde der Elektronenfluss. Dieser biohybride Verbund sei über mehrere Tage stabil und elektrochemisch aktiv geblieben, berichteten die Forscher. Das sei ein Beleg, dass das Verbundmaterial die von den Bakterien produzierten Elektronen effizient zu einer Elektrode leiten könne. Um den Elektronenfluss zu unterbrechen, setzen sie ein Enzym ein: Es zerschneidet DNA-Stränge, so dass das Verbundmaterial zerlegt wird.

"Nach unserer Kenntnis ist es bisher das erste Mal, dass ein solch komplexes und funktionelles biohybrides Material beschrieben wurde", sagte Niemeyer. Die Ergebnisse, die die Forscher in der Fachzeitschrift Applied Materials & Interfaces vorstellten, deuteten darauf hin, "dass mögliche Anwendungen solcher Materialien sogar über mikrobielle Biosensoren, Bioreaktoren und Brennstoffzellensysteme hinausgehen könnten".