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Mikrobiologie:Bakterien als Energielieferanten

Geobacter sulfurreducens ist ein Bakterium, das für biologische Brennstoffzellen infrage kommt.

(Foto: US Naval Research Laboratory)
  • Einige Bakterien wie Geobacter metallireducens leiten Strom. Solche Mikroorganismen wollen Forscher nun nutzen, um etwa aus Abwasser Elektrizität zu gewinnen.
  • Die Nasa will mithilfe der Mikroben im All Strom erzeugen.
  • Viele Arten lassen sich jedoch bislang nicht im Labor kultivieren.

Eigentlich wollte Derek Lovley nur herausfinden, weshalb es in der Chesapeake Bay bei Washington DC plötzlich eine Algenblüte gab. Er zog los, an den Potomac River, und nahm Proben. Mehr als dreißig Jahre ist das jetzt her, und er ahnte damals nicht, dass diese Geschichte seinem Forscherleben eine entscheidende Wendung geben würde: Als Ursache für die explosionsartige Vermehrung der Algen entdeckte der Mikrobiologe damals Bakterien, die tatsächlich Strom produzieren können. Er nannte die stäbchenförmigen Bakterien GS-15, nach der Sedimentprobe, in der er sie gefunden hatte.

Erst später erkannten Lovley und seine Kollegen, welche Bedeutung die Mikroorganismen für das Ökosystem haben und gaben ihnen den Namen, unter dem sie heute bekannt sind: Geobacter metallireducens. Im Labor fanden die Forscher heraus, dass die stäbchenförmigen Mikroben der Familie Geobacter Elektronen, also elektrische Ladungsträger, auf Rost übertragen und diesen in magnetisches schwarzes Eisenoxid umwandeln können. Eine Metamorphose, bei der sich im Flusssediment algenfördernde Phosphate lösen können. Anders als andere Bakterien schleust Geobacter Elektronen, die bei praktisch allen Stoffwechselprozessen in biologischen Zellen ausgetauscht werden, durch die Zellmembran nach außen und gibt sie dort über mikroskopisch feine "Haare" an Mineralien, Metalle oder andere Mikroben weiter.

"Wir waren glücklich, dieses Bakterium gefunden zu haben", sagt Lovley, der damals für die U.S. Geological Survey arbeitete und derzeit an der University of Massachusetts Amherst forscht. "Wir hatten zu dieser Zeit aber keine Vorstellung davon, welche weiteren Fähigkeiten Geobacter hat." Heute ist klar, dass Bakterien wie die aus dem Potomac beim Verdauen organischer Stoffe, etwa Pflanzen- oder Tierresten, regelrecht elektrische Ströme fließen lassen können. Anders gesagt: Sie können aus Abwasser Energie gewinnen. Die Kombination aus Biomüll-Abbau und Stromproduktion beschäftigt inzwischen Forscher auf der ganzen Welt. Die Zahl der wissenschaftlichen Publikationen ist mittlerweile vierstellig pro Jahr. Auch in Lovleys Labor übernehmen die Mikroben aus dem Potomac längst höhere Aufgaben. In einem Video ist ein Glas voll Schlamm zu sehen, auf dem ein rotes Lämpchen blinkt. Es ist ein batterieähnliches Konstrukt, das Elektrochemiker "mikrobielle Brennstoffzelle" nennen.

Geobacter macht sich über organische Stoffe im Schlamm her und leitet die dabei frei werdenden elektrischen Ladungen an Elektroden, die im Gefäß stecken. So fließt Strom, der die Lampe zum Leuchten bringt. "Mit einer mikrobiellen Brennstoffzelle kann man auch kleinere Geräte aufladen, einen Taschenrechner zum Beispiel oder eine Uhr", sagt Lovley.

In entlegenen Regionen könnten die Mikroorganismen das Abwasser reinigen

Es gibt bereits Ideen, um die elektroaktiven Mikroben dem Menschen zunutze zu machen. Die Nasa will zum Beispiel mit mikrobieller Hilfe aus Astronauten-Urin Elektrizität im All erzeugen. Start-ups wie Aquacycl aus Kalifornien und Forscher im EU-Projekt Imetland testen Zellen für die energieautarke Abwasserreinigung in Regionen ohne öffentliches Stromnetz. Immerhin enthalten Abwässer vier- bis fünfmal mehr in organischem Material gebundene Energie als für den Betrieb einer Kläranlage nötig ist. Wie diese am besten geerntet werden kann, testen auch Forscher der TU Clausthal in einem Pilotprojekt in einer Kläranlage im Harz-Ort Clausthal-Zellerfeld. Zwei Metallcontainer voller Brennstoffzellen reinigen hier 4000 Liter Abwasser täglich.

"Die Bakterien sind im Abwasser schon vorhanden und siedeln sich ganz automatisch auf den Elektroden an", sagt Uwe Schröder von der Technischen Universität Braunschweig, der ebenfalls am Projekt beteiligt ist. Sein Team versucht dennoch, gezielt Bakterien-WGs zusammenzustellen, um die Stromernten zu steigern und verlässlicher zu machen. "Vielfalt ist dabei offenbar wichtig und dass die Biofilme möglichst dick sind", betont der Elektrochemiker. "Zurzeit haben wir typischerweise 500 bis 1000 Bakterienschichten auf einer Elektrode, die einen ungefähr ein Zehntel Millimeter dicken Biofilm bilden." Damit erreicht sein Team Ströme im Milliampere-Bereich pro Quadratzentimeter - zu wenig für einen energieautarken Betrieb der Anlage. Doch in einem fünfjährigen Folgeprojekt wollen die Forscher eine eigenständige, technisch ausgefeilte Kleinkläranlage aufbauen, die mehr Strom produziert als sie verbraucht.