Bakterium wandelt Strom und Kohlendioxid in Acetat um

Strom versorgt gewöhnlich Maschinen, nicht Mikroben. Forschende stellen jedoch fest, dass bestimmte Bakterien sich unmittelbar an feste Oberflächen anschließen und Elektronen aufnehmen können.

Diese Bakterien nutzen die Energie, um Kohlendioxid in nützliche Chemikalien umzuwandeln. Das könnte einen neuen Weg eröffnen, erneuerbare Energie in chemischer Form zu speichern.

In einer neuen Studie identifizierte das Forschungsteam ein Bodenbakterium, das Elektrizität aus Mineralien oder Elektroden bezieht und Kohlendioxid zu Acetat umsetzt, einer wichtigen Industriechemikalie.

Noch ungewöhnlicher ist, dass der Mikroorganismus Elektronen in beide Richtungen transportieren kann: Je nach Bedingungen wechselt er zwischen der Abgabe und der Aufnahme von Elektrizität.

Mikrobe transportiert Elektronen in beide Richtungen

Aus Reisfeldboden isoliert, zeigte die Mikrobe Fundidesulfovibrio terrae eine unerwartete elektrische Vielseitigkeit, sobald sie mit festen Mineralien und Elektroden in Kontakt kam.

Dr. Yong Yuan von der Guangdong University of Technology (GDUT) dokumentierte mithilfe kontrollierter Elektroden, dass Elektronen zunächst aus den Zellen austraten und später wieder hineinflossen, wenn das Bakterium seinen Stoffwechselmodus wechselte.

Statt auf gelöste chemische Zwischenprodukte angewiesen zu sein, tauschte der Organismus elektrische Ladung direkt mit festen Oberflächen aus und hielt dabei in beide Richtungen messbare elektrische Aktivität aufrecht.

Diese Umkehrbarkeit belegt eine seltene biologische Fähigkeit und erfordert nun eine genauere Untersuchung, wie eine einzelne Mikrobe gegensätzliche Elektronenströme steuern kann, ohne Energie zu verlieren.

Wie Zellen Elektrizität transportieren

Einige Bakterien nutzen Mineralien und Metalloberflächen als Partner ihres Energiehaushalts und übertragen Elektronen über diese Grenzfläche.

Forschende bezeichnen dies als extrazellulären Elektronentransfer: die Bewegung von Elektronen zwischen einer Zelle und einer festen Oberfläche außerhalb der Zelle.

In manchen Fällen kann dieselbe Mikrobe überschüssige Elektronen nach außen abgeben und sie wieder aufnehmen, wenn Energiequellen knapp werden.

Da nur wenige Arten beide Richtungen beherrschen, können Ingenieurinnen und Ingenieure diesen Stamm nutzen, um stabilere elektrodenbasierte Reaktoren zu entwickeln, die weniger Energie verschwenden.

Mikroben reduzieren Eisen direkt

In Laborgefäßen heftete sich das Bakterium unmittelbar an Eisenmineralien und begann, deren Chemie zu verändern, ohne dass zusätzliche Hilfschemikalien zugesetzt wurden.

Anstatt gelöste Moleküle als Elektronenshuttles für den Hin- und Rücktransport einzusetzen, übertrugen die Zellen Elektronen direkt auf das feste Mineral und hinterließen dadurch weniger reaktives Eisen.

Innerhalb von sieben Tagen erreichte der Prozess eine Reduktionsrate von 68,3 Prozent – ein bemerkenswertes Ergebnis für einen neu isolierten Stamm.

Ein solcher direkter Kontakt ist in natürlichen Sedimenten relevant, weil Mikroben auf Mineraloberflächen den Kreislauf von Metallen in der Umwelt unauffällig beeinflussen können.

Biofilme ermöglichen stabile Reaktionen

Auf Graphitelektroden bildeten die Zellen eine dichte lebende Schicht, die auch bei wechselnden Bedingungen fest haften blieb.

Dieser Biofilm, eine kompakte Gemeinschaft von Zellen auf einer Oberfläche, hielt den Elektronenfluss zwischen dem Metall und den Zellen aufrecht.

In den Versuchen erzeugte dieselbe Mikrobe über die anhaftende Schicht bei mehr als einer Elektrodeneinstellung einen gleichmäßigen Strom.

Eine stabile Anhaftung ist für jeden künftigen Reaktor entscheidend: Zellen, die nicht an einer Oberfläche haften, werden fortgespült, bevor sie eine nennenswerte chemische Produktion dauerhaft aufrechterhalten können.

Elektrizität treibt die Kohlendioxidabscheidung an

Wenn eine Elektrode Elektronen lieferte, verwendete das Bakterium Kohlendioxid als einzige Kohlenstoffquelle und produzierte dennoch Acetat. In einer mikrobiellen Elektrosynthese – einem Aufbau, bei dem Mikroben aus Elektrizität Chemikalien herstellen – stieg die Acetatkonzentration auf 11,05 Millimolar.

Das Kohlendioxid gelangte in die Zelle und durchlief eine Reaktionskette, die mit einem Produkt aus zwei Kohlenstoffatomen endete. Diese Kette ist der Wood-Ljungdahl-Weg, ein Reaktionsweg, der mithilfe gespendeter Elektronen Acetat aus Kohlendioxid aufbaut.

Mithilfe der eintreffenden Elektronen wandelte das Bakterium Kohlendioxid vorrangig in Acetat um, statt diesen Kohlenstoff in neues Zellwachstum zu lenken.

Durch die Kopplung dieses Weges an Elektrizität konnte die Zelle weiterhin Kohlenstoff fixieren, selbst wenn organische Nahrung knapp war.

„Dieser Mikroorganismus zeigt eine außergewöhnliche Fähigkeit, Energie direkt aus elektrischen Quellen zu gewinnen und sie in den Kohlenstoffstoffwechsel zu leiten“, sagte Dr. Yuan.

„Seine metabolische Flexibilität bietet eine neue biologische Plattform, um erneuerbare Elektrizität mit dem Kohlenstoffrecycling zu verknüpfen.“

Molekulare Drähte in Mikroben

An der Zellgrenze transportierten spezialisierte Bestandteile Elektronen nach außen zu einer Oberfläche und wieder nach innen, wenn die Elektrode Energie zuführte.

Der Elektronentransport durch Membranen stützte sich auf c-Typ-Cytochrome, Hämproteine, die in beiden elektrischen Betriebsarten Elektronen durch Membranen bewegen.

Hinweise im Genom deuteten zudem auf haarähnliche Filamente hin, die den Biofilm beim Ladungsaustausch mit benachbarten Feststoffen unterstützten.

In wassergesättigten Böden und schlammigen Umgebungen gedeihen diese Bakterien häufig, wenn der Sauerstoff aufgebraucht ist und viele andere Mikroben nicht überleben können.

Ihre Gruppe, die sulfatreduzierenden Bakterien – Mikroben, die Sulfat anstelle von Sauerstoff nutzen –, leitet Elektronen normalerweise zu Schwefelverbindungen weiter.

Der neue Stamm erweitert dieses Bild, indem er zeigt, dass elektrische Lebensweisen auch bei Mikroben auftreten können, die für ihre Schwefelchemie bekannt sind.

Diese Flexibilität in einer verbreiteten Bodenlinie zu beobachten, deutet darauf hin, dass sich elektrische Mikroben an mehr Orten verbergen könnten als erwartet.

Mikrobielle Energiesysteme skalieren

Bereits 2010 zeigten Experimente mit Sporomusa ovata, dass sich durch Elektroden versorgtes Kohlendioxid in Acetat umwandeln lässt, womit das Prinzip nachgewiesen war.

Moderne Reaktoren stehen jedoch weiterhin vor großen Hürden, darunter eine langsame Elektronenzufuhr, zunehmende Säurebildung und Produktansammlungen, die die Mikroben beeinträchtigen können.

Ein Ansatz aus dem Jahr 2017 nutzte Durchflussreaktoren, um die Acetatproduktion zu steigern und die Energieeffizienz zu verbessern, doch das System blieb weit von einem industriellen Maßstab entfernt.

Die Ergänzung um einen Sulfatreduzierer mit Zwei-Wege-Funktion erweitert das biochemische Werkzeugset, doch für reale Produktionssysteme müssen Ingenieurinnen und Ingenieure weiterhin Geschwindigkeit, Reinheit und Kosten ausbalancieren.

Die Verbindung von Elektrizität und Kohlenstoffrecycling in einer einzigen Mikrobe eröffnet einen neuen Weg, erneuerbare Energie als Chemikalien zu speichern, ohne auf zusätzliche fossile Brennstoffe angewiesen zu sein.

Künftige Arbeiten erfordern lang andauernde Reaktorlaufzeiten, eine präzisere Kontrolle von Nebenreaktionen und eine sorgfältige Überwachung, damit Acetat bei einer Entwicklung hin zum großtechnischen Einsatz das vorherrschende Produkt bleibt.