Schritt voran in Richtung biologisch abbaubare Elektronik
Ein filamentöser, vielzelliger Organismus, der in Süßwasser- und Meeressedimenten vorkommt, kann Elektronen im Zentimeterbereich übertragen. Diese sogenannten Kabelbakterien(öffnet in neuem Fenster) bewirken den Elektronentransport, indem sie Sulfid im tiefen Sediment oxidieren und Elektronen transportieren, um Sauerstoff an der Oberfläche zu reduzieren. Und davon gibt es eine Menge: Innerhalb einer 15 cm dicken oberen Sedimentschicht wurden Kabelbakteriendichten von bis zu 2 km pro Quadratzentimeter Oberfläche festgestellt(öffnet in neuem Fenster). Kartik Aiyer(öffnet in neuem Fenster), Marie-Skłodowska-Curie-Postdoktorand(öffnet in neuem Fenster) am Zentrum für Elektromikrobiologie der Universität Aarhus(öffnet in neuem Fenster), erklärt: „Sie sind einzigartig in ihrer Fähigkeit, die Stoffwechselarbeit(öffnet in neuem Fenster) auf verschiedene Zellen des Kabels aufzuteilen. Mit anderen Worten: Während einige der im anoxischen Sediment vergrabenen Zellen Energie erzeugen, indem sie einen Elektronendonator (meist Sulfid) oxidieren, reduzieren andere Zellen in der oxischen Zone Sauerstoff, wozu sie eine andere Redox-Halbreaktion(öffnet in neuem Fenster) durchführen.“ Mit dem Projekt Cable Electricity O2 wurde das Ziel verfolgt, ein bioelektrochemisches System zu entwickeln, das mithilfe von Bakterien zwischen Stromerzeugung und Energiespeicherung umschalten kann. Als Ziel gilt, einen Mikroprozessor auf biologische Weise mit Energie zu versorgen, womit im Erfolgsfall biologisch abbaubarer Elektronik der Weg bereitet werden könnte.
Mit Kabelbakterien angereicherte Kulturen erzeugen elektrischen Strom
Die Bakterien wurden in ein Energiemanagementsystem integriert, das aus einem Mikroprozessorchip, einer Strom- und Spannungsmessschaltung und einer Mikrosteuervorrichtung zur Stromversorgung des Mikroprozessors mit aus dem Sediment gewonnenen Elektronen besteht. Um die potenzielle Elektroaktivität von Kabelbakterien zu erkunden, wurde eine Drei-Elektroden-Zelle, bestehend aus einer Kohlenstofffilz-Arbeitselektrode, einer Ag/AgCl-Referenzelektrode und einer Ti-Gegenelektrode, mit Süßwassersediment beimpft. „Das Sediment wurde mit dem Einzelstamm E. aureum GS angereichert. Es waren keine weiteren Kabelbakterienstämme vorhanden. Nach der Beimpfung zeigte der Strom einen sigmoidalen Anstieg“, berichtet Aiyer. Um zu einem besseren Verständnis des spezifischen Beitrags der Kabelbakterien zum gesamten gemessenen Strom zu gelangen, wurde ein weiterer Satz Drei-Elektroden-Zellen mit autoklaviertem Sediment beimpft. „Wir haben etwa zehn saubere Kabelbakterien hinzugefügt, nachdem wir sie mit sterilisierten Glashaken aus dem Sediment herausgefischt hatten. Im Vergleich zu autoklavierten Sedimentkontrollversuchen führte die Zugabe von lebenden Kabelbakterien zu einem deutlichen Anstieg der Stromstärke, was ihre besondere Rolle bei der Steuerung der Elektroaktivität des Systems hervorhebt“, so Aiyer.
Bakterienbetriebene Prozessoren für biologisch abbaubare Elektronik
Dem Team ist es gelungen, Kabelbakterien auf Elektroden zu züchten. Es dauerte länger als erwartet, aber es wurde ein reproduzierbares System entwickelt, wie in der kürzlich erschienenen wissenschaftlichen Arbeit(öffnet in neuem Fenster) gezeigt wird. Aiyer vertritt die Ansicht, damit die biologische Grundlage für die Stromerzeugung als Teil einer allgemeinen Suche nach Wegen zur Erschaffung von biokompatiblen und biologisch abbaubaren elektronischen Vorrichtungen gelegt wurde. Die wichtigste Erkenntnis des Projekts bestand darin, dass Kabelbakterien direkt auf Elektroden gezüchtet werden können, anstatt sie wie in der Natur mit Sauerstoff wachsen zu lassen. Diese Entdeckung gelang dank der Unterstützung durch die EU. „Wir hatten bereits verstanden, dass sie in der Lage sind, Elektronen in sich über zentimetergroße Entfernungen zu bewegen, aber wir wussten nicht, dass sie auch Elektronen direkt mit festen Oberflächen wie etwa Elektroden austauschen können. Mithilfe der Demonstration dieses Verhaltens können wir zum ersten Mal auf kontrollierte Weise untersuchen, wie Kabelbakterien elektrisch mit ihrer Umgebung interagieren, was ein wesentlicher Schritt ist, bevor praktische Anwendungen überhaupt entwickelt werden können.“
