Bakterien, die in der Lage sind, elektrische Energie zu produzieren, könnten als Cyborgs etwa in Brennstoffzellen, Biosensoren oder Bioreaktoren eingesetzt werden. Am KIT wird dies gerade erforscht.
Die Bakterien (grün) sind in einem Kompositmaterial aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (grau) und Kieselsäure-Nanopartikeln (lila), verwoben mit DNA (blau), eingebettet.
Niemeyer-Lab, KIT
Bakterien werden heutzutage schon vielfach zur Energiegewinnung eingesetzt. "Viele Bakterienarten, die auch im Belebtschlamm auf Kläranlagen vorkommen, nutzen PHA (Polyhydroxyalkanoate, Anm. d. Red.) als zellinternen Kohlenstoff- und Energiespeicher", beschreiben die Springer-Autoren Thomas Uhrig, Julia Zimmer, Florian Rankenhohn und Heidrun Steinmetz im Zeitschriftenbeitrag Biopolymerproduktion aus Abwasserströmen für eine kreislauforientierte Siedlungswasserwirtschaft auf Seite 14 eine der zugrundeliegenden Eigenschaften.
Die Nutzung von Bakterien, um Gär- und Pflanzenreste in Methan umzuwandeln, wird deswegen auch in Biogasanlagen genutzt – und das schon heute im industriellen Maßstab.
Strom selbst produzieren
Doch es gibt auch Bakterien, die in der Lage sind, selbst Strom zu produzieren: sogenannte exoelektrogene Bakterien. Eine direkte Nutzung der so produzierten Strommengen wird jedoch nicht sinnvoll sein. Allerdings können solche Bakterien dort eingesetzt werden, wo direkt vor Ort und mikrobiell Energie abgegeben werden muss – etwa als Mikro-Cyborgs, also Mischwesen aus organischem Leben und Maschine. Genau das wird derzeit am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erforscht.
Genutzt wird dafür das Bakterium Shewanella oneidensis. Die Forscher wollen mit seiner Hilfe ein programmierbares biohybrides System entwickeln, das zudem aus einem Nanokomposit-Material besteht. Das dient zum einen als Stützgerüst für die Bakterien und leitet zum anderen den mikrobiell erzeugten Strom.
Eine der Schwierigkeiten bei der Entwicklung solcher Mikro-Batterien liegt darin, zugleich möglichst viele Bakterien optimal mit der Elektrode zu verbinden. Bislang wurden leitende Materialien, in die Bakterien eingebettet werden können, entweder ineffizient oder es fehlte die Möglichkeit, den elektrischen Strom zu steuern. Das von einem Team um Christof M. Niemeyer entwickelte Nanokomposit-Material kann das Wachstum exoelektrogener Bakterien unterstützen und den Strom kontrolliert leiten.
Stabilität durch Nano-Material
"Wir haben dazu ein poröses Hydrogel hergestellt, das aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kieselsäure-Nanopartikeln besteht. Diese sind durch DNA-Stränge miteinander verwoben", so Niemeyer. Die Kultivierung von Shewanella oneidensis in den leitfähigen Materialien zeigte, dass die Bakterien das Gerüst besiedelten, während andere Bakterien, wie zum Beispiel Escherichia coli, nur auf der Oberfläche der Matrix blieben. Dabei nahm auch der Elektronenfluss zu, je mehr Bakterien sich ansiedelten. Das System blieb sogar mehrere Tage stabil. Gesteuert werden konnte der Prozess durch die Zugabe eines Enzyms, dass die DNA-Stränge der Bakterien zerschneidet.
Die Forscher des KIT gehen davon aus, dass dies bisher zum ersten Mal so dargestellt werden konnte. Mögliche Anwendungen liegen in mikrobiellen Biosensoren, Bioreaktoren und Brennstoffzellensystemen, könnten auch darüber hinausgehen.
Das Bakterium ist übrigens vielseitig einsetzbar. "Shewanella oneidensis […] ist ökophysiologisch extrem flexibel, da dieses Bakterium anstelle von O2 auch Nitrat, Mn(IV)- bzw. Fe(III)- (Hydr)Oxide, Fumarat, oxidierte Huminsäuren (HSox), So, S2O3 2–, U(VI)-, Cr(VI)- und As(V)-Verbindungen als alternative Elektronen-Akzeptoren zur ATP-Synthese bei der Verwertung einfacher organischer Säuren (Formiat, Pyruvat, Lactat), Aminosäuren und H2 einsetzen kann […]. Somit gehört S. oneidensis wahrscheinlich mit zu den stoffwechselphysiologisch versiertesten fakultativ anaeroben Bakterien", schreibt Springer-Autor Johannes C. G. Otto im Buchkapitel Ökophysiologie der Bodenbakterien und -pilze auf Seite 59.