Auf dem Weg zur Biobrennstoffzelle?
Metallreduzierende Bakterien und halbleitende Nanomineralien aggregieren zu elektrisch leitfähigen Netzwerken
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Biobrennstoffzellen nutzen Enzyme oder ganze Mikroorgansimen als Biokatalysatoren für eine direkte Umwandlung chemischer in elektrische Energie. Ein Typus mikrobieller Brennstoffzellen arbeitet mit Anoden, die mit einem Bakterienfilm überzogen sind. Der Brennstoff besteht aus einem Substrat, das die Bakterien abbauen können. Die dabei freigesetzten Elektronen müssen auf die Anode übertragen werden, damit sie dann als Strom abgezogen werden können. Wie aber leitet man die Elektronen aus dem mikrobiellen Stoffwechsel, der im Inneren der Zelle abläuft, effizient zur Anode? Die Erkenntnisse japanischer Forscher über den Elektronentransfermechanismus von Shewella loihica PV-4 könnten interessante Ansatzpunkte liefern. Wie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, lagern sich diese metallreduzierenden Bakterien in Gegenwart von Eisen(III)oxid-Nanopartikeln zu einem elektrisch leitenden Netzwerk zusammen.
Um seinen Energiebedarf zu decken, baut unser Organismus energiereiche Substanzen ab. Ein entscheidender Schritt ist dabei die Übertragung von Elektronen auf Sauerstoff, der dem Körper durch Atmen zugeführt wird. Metallreduzierende Bakterien, die in unterirdischen Sedimenten siedeln, übertragen, statt zu atmen, als letzten Schritt ihres Metabolismus Elektronen auf Eisenoxid-Mineralien, auf deren Oberfläche sie siedeln. Dreiwertige Eisenionen werden dabei zu zweiwertigen reduziert.
Das Team um Kazuhito Hashimoto untersuchte, wie dieser Transfer bei Shewella loihica funktioniert. Sie mischten Zellen in eine Lösung ein, die feinstverteilte Eisen(III)oxid-Partikel enthielt, und füllten diese in eine Kammer mit Elektroden.Rasch schlug sich eine Schicht aus Bakterien und Eisenoxidpartikeln auf der am Boden der Kammer befindlichen Indiumzinnoxid-Elektrode nieder. Werden die Zellen mit Laktat „gefüttert“, ist ein Stromfluss zu beobachten. Elektronen aus der Verstoffwechslung des Laktats werden von den Bakterien also an die Elektrode übertragen.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen eine dicke Schicht aus Zellen und Nanopartikeln auf der Elektrode, die Zelloberflächen sind dabei komplett mit Eisenoxidpartikeln überzogen. Wie die Forscher beweisen konnten, sind die Halbleitereigenschaften der Eisenoxid-Nanopartikel, die die Zellen untereinander verbinden, mit verantwortlich für den erstaunlich hohen Stromfluss. Die Zellen wirken dabei als elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Eisenoxidpartikeln. Cytochrome, Enzyme in der äußeren Zellmembran dieser Bakerien, transferieren die Elektronen zwischen den Zellen und den Eisenoxidpartikeln, ohne dass eine besondere Energiebarriere überwunden werden muss. So entsteht ein leitfähiges Netzwerk, das auch den weit von der Elektrode entfernten Zellen erlaubt, an der Stromerzeugung teilzuhaben.
Originalveröffentlichung: Kazuhito Hashimoto et al.; "Self-Constructed Electrically Conductive Bacterial Networks"; Angewandte Chemie 2009, 121, No. 3, 516–519.
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