ENERGIE

11:20 | 26.05.2020
Kommt bald die Biobatterie? Forscher nutzen Bakterien zur Stromerzeugung

Karlsruhe – Die auf dem Markt befindlichen elektronischen Geräte bestehen aus anorganischen, unbelebten Materialien. Doch das könnte sich eines Tages ändern, wenn „mikrobielle Cyborgs“ ihre Arbeit aufnehmen und Strom produzieren.

Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben erstmals ein biohybrides Material mit guter Leitfähigkeit beschrieben, mit dem nicht nur mikrobiell Strom erzeugt werden kann. Der Elektronenfluss in der Biobatterie ist sogar steuerbar.

Bisherige Probleme der Nutzbarmachung mikrobieller Elektrizität

Das Bakterium Shewanella oneidensis gehört zu den sogenannten exoelektrogenen Bakterien. Diese können im Stoffwechselprozess Elektronen erzeugen und zur Außenseite der Zelle transportieren. Der Versuch, diese Elektrizität nutzbar zu machen, war jedoch immer durch eine eingeschränkte Interaktion der Organismen mit der Elektrode begrenzt, so das KIT. Im Unterschied zu herkömmlichen Batterien muss das Material bei dieser „Biobatterie“ nicht nur die Elektronen zu einer Elektrode leiten, sondern zugleich möglichst viele Bakterien optimal mit der Elektrode verbinden. Bislang waren jedoch leitende Materialien, in die Bakterien eingebettet werden können, entweder ineffizient oder es fehlte die Möglichkeit, den elektrischen Strom zu steuern.

Lösung: KIT-Forscher ermöglichen mit neuem Nanokomposit-Material steuerbare Stromerzeugung

Dem Team um Professor Christof M. Niemeyer gelang es nun, ein Nanokomposit-Material zu entwickeln, das das Wachstum von exoelektrogenen Bakterien unterstützt und zugleich den Strom kontrolliert leitet. „Wir haben dazu ein poröses Hydrogel hergestellt, das aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kieselsäure-Nanopartikeln besteht. Diese sind durch DNA-Stränge miteinander verwoben“, erläutert Niemeyer.

Dem Gerüst fügte die Arbeitsgruppe das Bakterium Shewanella oneidensis sowie ein flüssiges Nährmedium zu. „Die Kultivierung von Shewanella oneidensis in den leitfähigen Materialien zeigt, dass die exoelektrogenen Bakterien das Gerüst besiedeln, während andere Bakterien, wie zum Beispiel Escherichia coli, nur auf der Oberfläche der Matrix bleiben“, erläutert der Mikrobiologe Professor Johannes Gescher. Darüber hinaus konnte das Forschungsteam belegen, dass der Elektronenfluss zunahm, je mehr Bakterienzellen die leitfähige, synthetische Matrix besiedelten. Dieser biohybride Verbund blieb mehrere Tage lang stabil und zeigte elektrochemische Aktivität, ein Beleg, dass das Verbundmaterial die von den Bakterien produzierten Elektronen effizient zu einer Elektrode leiten kann, so die Forscher.

Abschaltung der Stromproduktion durch Enzym-Zugabe

Für die Nutzung solcher Systeme ist die Leitfähigkeit von hoher Bedeutung, aber auch eine Möglichkeit, den Prozess zu steuern. Auch dies gelang im Experiment: Um den Strom abzuschalten, fügten die Forschenden ein Enzym hinzu, das DNA-Stränge zerschneidet. Dadurch wird das Verbundmaterial zerlegt. „Nach unserer Kenntnis ist es bisher das erste Mal, dass ein solch komplexes und funktionelles biohybrides Material beschrieben wurde. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass mögliche Anwendungen solcher Materialien sogar über mikrobielle Biosensoren, Bioreaktoren und Brennstoffzellensysteme hinausgehen könnten“, unterstreicht Niemeyer. (IWR)


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