Neue Biobatterien sind vom Dünndarm inspiriert
Ein Team der Binghamton University zeigt, wie Abwasser Bakterien-Brennstoffzellen mit Energie versorgen kann
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Auf der Suche nach einem besseren Design für eine bakterienbetriebene Biobatterie ließen sich Forscher der Binghamton University von der Natur inspirieren – genauer gesagt vom Inneren unseres Dünndarms.
Das Team der Binghamton University stellte Biobatterien in verschiedenen Größen her, die von Zotten inspiriert waren, um herauszufinden, welche davon die optimale elektrische Leistung erbrachten.
Ruohan Zhang, Botian Wang, Seokheun Choi, "Intestinal Villi-Inspired Living Biobatteries via Habitat-Engineered Conductive Hydrogel Architectures"
Fingerartige Ausstülpungen, sogenannte Zotten, säumen den Verdauungstrakt und sind mit Mikroorganismen bedeckt, die uns bei der Verdauung unserer Nahrung helfen. Ihre Form und ihr Verhalten erweisen sich zudem als ideal für die Erzeugung von Bioenergie mithilfe sporenbildender Bakterien.
Professor Seokheun „Sean“ Choi und die Doktoranden Ruohan „Astrid“ Zhang und Botian Wang vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik des Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science haben ihre Ergebnisse kürzlich in der Fachzeitschrift „Small“ veröffentlicht.
In seinen früheren Forschungsarbeiten hat Choi verschiedene Konfigurationen von Biobatterien mit Papier, Stoff, Metall und Polymeren untersucht und versucht nun, diese in 3D-gedruckte Schaltkreise zu integrieren. Er hat sogar eine verschluckbare Biobatterie entwickelt, die inaktiv bleibt, bis sie im Dünndarm aktiviert wird.
Als Pionier der „Papertronik“ interessiert sich Choi vor allem für die Verwendung von Papier als Trägermaterial. Eine Einschränkung, die er bei fast allen von ihm getesteten Materialien festgestellt hat: Zweidimensionale Konfigurationen bieten nicht genügend Oberfläche, damit sich die sporenbildenden Bacillus-subtilis-Bakterien gut vermehren können. Die poröse Beschaffenheit von Papier bietet zwar begrenzte dreidimensionale Möglichkeiten, kann jedoch zu Leistungsproblemen führen.
„Poröse Strukturen können durch die Bildung von Biofilmen leicht verstopft werden, daher hatten wir viele Probleme mit der Nährstoffzufuhr, der Ansammlung von Abfallstoffen oder ungleichmäßigem Biofilmwachstum“, sagte Choi, der das Labor für Bioelektronik und Mikrosysteme leitet. „Was wir brauchen, ist eine Bioelektrode, die lebendes Gewebe nachahmt, sodass wir eine große Oberfläche und kurze Diffusionswege sowie einen effizienten Stofftransport bieten und die gleichzeitig mechanisch flexibel, dehnbar und skalierbar ist.“
Für diese neueste Forschungsarbeit stellte das Team aus Binghamton die von Zotten inspirierten Strukturen aus einem inaktiven, aber flexiblen Polymer-Hydrogel her, das üblicherweise für biomedizinische Anwendungen verwendet wird. Sie besiedelten die Zotten mit inaktiven Bakterien, die als Anode der Biobatterie fungieren. Um geringe Mengen an Strom zu erzeugen, sind die Zotten durch eine Ionenaustauschmembran von einer modifizierten Kathode aus Kohlenstoffgewebe getrennt.
Bei konstanter Zufuhr von Nährmedium hielt die Zottenvorrichtung mindestens 14 Stunden lang eine stabile Leistung von etwa 0,75 Volt aufrecht – genug, um kleine LEDs zum Leuchten zu bringen oder Mikrosensoren mit Strom zu versorgen. Eine Möglichkeit für den zukünftigen Einsatz wäre die autarke Abwasserbehandlung.
„Wir können diese Biobatterie in ein Abwasserrohr einbauen, da sie sich problemlos in ihre Umgebung integrieren lässt“, sagte Choi. „Sie kann die Abfallstoffe im Wasser als Nährstoffe nutzen und Strom erzeugen, und sie passt sich exakt an die Form und Größe der Rohrleitung an.“
Als Elektroingenieurin gab Zhang zu, dass sie vor dieser Forschung mit dem menschlichen Verdauungssystem nicht allzu vertraut war, doch sie und Choi informierten sich intensiv, bevor sie beschlossen, eine von Zotten inspirierte Biobatterie zu entwerfen und zu bauen.
„Ich weiß jetzt, wie die Struktur aussieht und wie die Bakterien im Darm funktionieren“, sagte sie. „Außerdem habe ich mich intensiv mit der genauen Struktur der Zotten und der Funktionsweise der verschiedenen Zellschichten beschäftigt, damit ich diese Erkenntnisse in unsere Arbeit einfließen lassen kann.“
Das Team aus Binghamton möchte den Herstellungsprozess für die von Zotten inspirierten Biobatterien verbessern, indem es ein einstufiges, skalierbares Druckverfahren entwickelt. Die Forscher möchten sich zudem stärker an der Funktionsweise unseres Körpers orientieren, bei der sich die Bakterien in unserem Verdauungstrakt größtenteils nahe der Oberfläche in einer Schleimschicht befinden, die die Zotten überzieht.
„In dieser Arbeit haben wir versucht, die architektonische Struktur nachzuahmen“, sagte Choi. „Wir müssen ihre tatsächliche physiologische und chemische Zusammensetzung nachbilden, um wirklich zu verstehen, wie diese Bakterienzellen ihre Lebensfähigkeit aufrechterhalten können.“
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