09.02.2009 · Noch ist der Stromfluss gering, den japanische Forscher durch ein Netzwerk von Mikroben und Eisenoxid erzeugen können. Interessante Nutzungen für eine solche Energiegewinnung direkt aus dem Stoffwechsel gäbe es auf jeden Fall.
Von Uta Bilow
© DOE Joint Genome Institute
Shewanella loihici
Brennstoffzellen können chemische Energie direkt in elektrischen Strom umwandeln und stellen damit eine umweltfreundliche, saubere und effiziente Form der Energiegewinnung dar. Eine Sonderform dieser kleinen "Kraftwerke" ist die sogenannte Biobrennstoffzelle. In dieser halten Enzyme oder ganze Mikroorganismen die chemische Reaktion am Laufen - anstelle von Katalysatormaterialien wie etwa Platin.
Stoffwechselprozesse werden somit für die Energiegewinnung genutzt. Eine Barriere stellt dabei der Elektronenfluss vom Biokatalysator zur Elektrode dar. Denn die mikrobiellen Stoffwechselprozesse laufen im Innern der Zellen ab, die elektrisch gut isoliert sind und somit die Übertragung von Elektronen auf eine Anode erschweren. Einen Lösungsansatz haben nun japanische Wissenschaftler entwickelt. Sie sind auf Mikroorganismen gestoßen, die sich mit Metalloxid-Teilchen zu elektrisch leitfähigen Netzwerken zusammenlagern und einen raschen Elektronentransfer ermöglichen.
Die richtige Mischung
Shewanella loihica, so die Bezeichnung der Mikroben, lebt für gewöhnlich bei hydrothermalen Quellen auf dem Grunde der Tiefsee - Loihi ist ein untermeerischer Vulkan in der Nähe von Hawaii. Bekannt sind die Bakterien für ihre Fähigkeit, Elektronen auf eisenoxidhaltige Mineralien zu übertragen, auf deren Oberfläche sie siedeln.
Die japanischen Forscher um Kazuhito Hashimoto von der Universität Tokio mischten Shewanella-Zellen mit einer Lösung von feinstverteilten winzigen Eisenoxid-Partikeln. Diese Mischung füllten sie in eine Kammer mit Elektroden. Außerdem setzten die Wissenschaftler der Kammer Milchsäure zu, die von den Bakterien in den Stoffwechsel einbezogen werden kann.
Die Forscher konnten beobachten, dass sich eine Schicht aus Bakterien und Eisenoxid-Partikeln rasch auf der am Boden der Kammer befindlichen Elektrode aus Indiumzinnoxid niederschlug. Anschließend setzte der Stromfluss ein, und es kam zu einem nahezu linearen Anstieg der Stromstärke bis auf 40 Mikroampère ("Angewandte Chemie", Bd. 121, S. 516). Bei der Verdauung der Milchsäure übertrugen die Bakterien demnach effizient Elektronen auf die Anode. Nach etwa 15 Stunden begann die Stromstärke wieder zu sinken, da die anfänglich zugesetzte Milchsäure allmählich verbraucht wurde.
Die Rolle der Cytochrome
Die aus Zellen und Eisenoxid-Partikeln bestehende Beschichtung der Elektrode wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop genauer untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Zelloberflächen komplett mit Eisenoxid-Teilchen überzogen sind. Wie die Forscher nachweisen konnten, sind die Halbleitereigenschaften der Eisenoxid-Nanopartikeln, die die Zellen untereinander verbinden, verantwortlich für den guten Elektronenfluss. Die Zellen wirken dabei als elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Eisenoxid-Partikeln. Auf diese Weise können auch die weit von der Elektrode entfernten Zellen zur Stromerzeugung beitragen.
Eine wichtige Rolle kommt dabei bestimmten Proteinen in der äußeren Zellmembran von Shewanella zu. Diese Cytochrome transferieren die Elektronen zwischen den Zellen und den Eisenoxid-Partikeln. Der Stromfluss der Biobrennstoffzelle ist bislang noch gering. Weiterführende Versuche werden zeigen, ob er sich steigern lässt. Interessant wäre eine solche Energiequelle beispielsweise für batterielose Herzschrittmacher, die ihre Energie direkt aus dem Stoffwechsel gewinnen.
