TU Berlin erzeugt Strom durch Bakterien
Eine biologische Batterie soll für Strom von Bakterien sorgen. Das ist zumindest das Ziel eines interdisziplinären Teams der TU Berlin. Im Rahmen des Biomod-Wettbewerbs für Studierende aus aller Welt in San Francisco haben die Berliner Studenten das Projekt eingereicht. Wir stellen es hier vor.
Gewisse Bodenbakterien geben Strom an ihre Umwelt ab. Diesen Prozess will das interdisziplinäre Team in Berlin verbessern.
Foto: TU Berlin / PR / Dominic Simon
Die sogenannten Elektromikroben können Elektronen, sprich Strom, produzieren und weiterleiten. Eine kleine Lampe konnten die Studenten der TU Berlin auf diese Weise schon zum Leuchten bringen.
Elektromikroben sind uralt – geht man nach der Evolutionsbiologie. In der aktuellen Nachhaltigkeitsdebatte wird das Potenzial der Bakterien wieder beleuchtet, denn das Bakterium kann Strom produzieren und weiterleiten. Und das sogar weitgehend ohne Energieverlust. Diesen Fakt haben die Studierenden des Studiengangs Biologische Chemie an der TU Berlin zum Anlass genommen, um ein Projekt für den internationalen Wettbewerb “Biomolecular Design”, kurz Biomod, einzureichen. „Unser Ziel ist eine biologische Batterie“, so die Masterstudentin Franziska Graeger.
Elektromikroben begleiten uns seit den ersten Tagen des Lebens
Elektromikroben sind so alt wie unsere Welt. Eine Form des Bakteriums, Shewanella oneidensis, lebte im Frühstadium der Evolution im Meeresboden. Dort gab es keinen atmosphärischen Sauerstoff, der Elektronen hätte aufnehmen können. Shewanella oneidensis leitete die überschüssigen Elektronen durch ihre Membranfortsätze in die Umgebung ab. Bis heute lebt das Bakterium im Meeresboden – bei wenig Licht und kaum Sauerstoff.
Dieses Verhalten wollen sich Wissenschaftler zunutze machen und eine biologische Batterie entwickeln. Seit einigen Jahren ist Forschern bekannt, dass gewisse Bakterien Elektronen an ihre Umgebung freisetzen. Über Membranen leiten die Bakterien Elektronen an positiv geladene Metallionen in die Umwelt weiter.
Das Team der TU Berlin nutzt für das Projekt verschiedene Bakterien und kombiniert die Fähigkeiten untereinander. Graeger gibt an: „Das Bakterium Shewanella besitzt ein spezielles Proteinkonstrukt in seiner Membran, um Elektronen gezielt an Eisen oder Mangan in der Umgebung abzugeben. Unser erster Schritt ist es, dieses Protein gentechnisch in Cyanobakterien einzubringen.“ Unter Cyanbakterien versteht man eine Schnittstelle zwischen Pflanzen und Bakterien. Sie können aus dem Kohlendioxid der Atmosphäre und dank Sonnenlicht den Energieträger Glukose und Sauerstoff herstellen. „Wenn es uns gelingt, den Proteinkomplex aus Shewanella in die Cyanobakterien zu bringen, könnten diese Proteine gezielt die Elektronen aus der Photosynthese übernehmen und nach außen an eine Elektrode abgeben. So könnte ein Stromfluss erzeugt werden“, erläutert Graeger die Pläne der Gruppe.
Bakterien bringen Einmachglas zum Leuchten
Freie Elektronen lassen sich schon heute in geringen Mengen von Bodenbakterien auffangen. Das haben die Wissenschaftler in Berlin anhand eines Einmachglases gezeigt. Ein Lämpchen wurde auf diese Weise zum Leuchten gebracht. In dem Einmachglas befanden sich Erde, zwei Kabel, zwei kleine Lampen auf dem Deckel und das Bakterium.
Und so wird das Glas zum Leuchten gebracht: Zwei Elektroden nehmen die Elektronen von den Bodenbakterien in der Erde auf und leiten sie an das Lämpchen weiter. Da der aufgefangene Strom sehr gering ist, kann bisher nur eine kleine Lampe betrieben werden. Das Ziel an der TU Berlin ist es nun, dieses Ergebnis zu steigern.
Bakterienkraftwerk für Biogas
Eine weitere Variante ist die Wandlung von Elektronen in Biogas. Bakterien der Art Methanococcus maripaludis nehmen Elektronen auf und stellen daraus Wasserstoff her. Das wird durch ein bislang unentdecktes Proteinkomplex möglich. Wird CO2 hinzugegeben, stoßen die Bakterien Methan aus. Die neu entdeckten Mikroorganismen können also Elektronen – das heißt Strom – speichern. Einer der Entdecker der Strombakterien ist Umweltmikrobiologe Alfred Spormann von der kalifornischen Stanford Universität.
An dem aktuellen Biomod-Wettbewerb nehmen verschiedene Berliner Universitäten seit 2015 teil. Das Projekt wird von dem Fachgebiet Biokatalyse von Nediljko Budisa und dem Exzellenzcluster UniSysCat an der TU Berlin gehostet, mit Unterstützung durch den Preis für vorbildliche Lehre der Gesellschaft von Freunden der TU Berlin.
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