Mikroben: Schau, ich erzeuge Strom

Die mikrobielle Elektrochemie ist ein aufstrebendes Fachgebiet, das mehrere Disziplinen wie Mikrobiologie, Elektrochemie, Materialwissenschaften und Umwelttechnik vereint. Der Schwerpunkt liegt auf der Interaktion zwischen Mikroorganismen und Elektroden und wie diese Interaktionen genutzt werden können, um chemische Energie in elektrische Energie oder umgekehrt umzuwandeln. Die Forschung auf diesem Gebiet reicht bis ins frühe 20. Jahrhundert zurück, der eigentliche Durchbruch kam jedoch in den 1980er Jahren, als Wissenschaftler Bakterien entdeckten, die Elektronen aus dem Inneren ihrer Zellen direkt auf Metalloxide außerhalb der Zellen übertragen konnten.

Stromgewinnung aus Mikroorganismen: Jugend-Innovationsbericht zu Wissenschaft und Technologie

Frühe Erforschung der mikrobiellen Elektrochemie

Die früheste Entdeckung der mikrobiellen Elektrochemie lässt sich auf das Jahr 1910 zurückführen, als beobachtet wurde, dass Mikroorganismen beim Stoffwechsel organischer Substrate Spannung und Strom erzeugen konnten. Im Jahr 1962 schlugen Davis und Yarbrough im Magazin Science das Konzept der Biobrennstoffzelle vor. Es handelt sich um eine Art mikrobielles elektrochemisches System, dessen Funktionsweise auf dem Prozess des extrazellulären Elektronentransfers von Mikroorganismen zur Anode beruht.

Professor Derek Lovley wurde eingeladen, einen wissenschaftlichen Bericht zu halten. Quelle: State Key Laboratory of Urban Water Resources and Water Environment

Im Jahr 1987 entdeckten Professor Derek Lovley und Professor Kenneth Nealson zwei wichtige elektroaktive mikrobielle Modellgattungen: Geobacter metallireducens GS-15 und Shewanella oneidensis MR-1. Diese Erkenntnisse legten den Grundstein für die Entwicklung des Fachgebiets der mikrobiellen Elektrochemie.

Jin Binghong unterrichtet Quelle: State Key Laboratory of Urban Water Resources and Water Environment

Im Jahr 1999 entdeckte Professor Kim Byung Hong vom Korea Institute of Science and Technology, dass 80 % der über 200 Stämme Fe(III)-reduzierender Bakterien elektrochemisch aktiv waren. Diese Entdeckung erweiterte das Anwendungspotenzial mikrobieller elektrochemischer Phänomene erheblich.

Professor Bruce E.Logan im Labor Quelle:PennState

Im Jahr 2004 entwickelten Professor Bruce E. Logan und Dr. Liu Hong von der Pennsylvania State University einen Einkammer-Luftkathoden-Brennstoffzellenreaktor mit mikrobieller Brennstoffzelle und demonstrierten damit die Machbarkeit der Nutzung mikrobieller elektrochemischer Technologie zur Abwasserbehandlung und gleichzeitigen Energierückgewinnung.

Anwendung der mikrobiellen elektrochemischen Technologie

In den letzten Jahren hat die Anwendung mikrobieller elektrochemischer Technologien im Bereich der Umweltwissenschaften und des Umweltingenieurwesens stetig zugenommen, unter anderem in der Abwasserbehandlung, Nährstoffrückgewinnung, mikrobiellen elektrochemischen Sanierung und mikrobiellen elektrochemischen Synthese. Mit diesen Technologien können nicht nur organische Schadstoffe im Abwasser behandelt, sondern auch Energie zurückgewonnen und sogar Chemikalien mit hoher Wertschöpfung produziert werden.

Mikrobielle elektrochemische Technologie liefert Strom für die Beleuchtung in öffentlichen Toiletten. Quelle: ChemElectroChem

Die moderne Forschung erforscht weiterhin neue Anwendungsmöglichkeiten für mikrobielle elektrochemische Systeme, wie etwa Entsalzung, Umwandlung von Biogas in Methan, Biosensoren usw. Darüber hinaus untersuchen die Forscher, wie sich die Energieeffizienz dieser Systeme verbessern lässt und welche Möglichkeiten eine Produktion im großen Maßstab bietet.

Obwohl die mikrobielle elektrochemische Technologie großes Potenzial aufweist, ist sie noch mit einigen Herausforderungen konfrontiert. So schränken beispielsweise die geringe Effizienz des extrazellulären Elektronentransfers zwischen stromerzeugenden Mikroorganismen und der Elektrodenschnittstelle sowie die schwache Fähigkeit zur Bildung von Biofilmen die Anwendung mikrobieller elektrochemischer Technologie beim Abbau organischer Stoffe, der Stromerzeugung, der Meerwasserentsalzung, der Biosanierung und der Biosensorik ein. Daher war die Verbesserung der Interaktion zwischen elektrogenen Mikroorganismen und Elektrodenschnittstellen in den letzten Jahren ein wichtiger Forschungsschwerpunkt.

Forscher haben eine Reihe von Strategien entwickelt, um die Wechselwirkungen zwischen Mikroben und Elektroden zu verbessern. Dazu gehören die Manipulation von Zellen mithilfe synthetischer Biologie, die Modifizierung von Zellen mit leitfähigen Nanomaterialien und die Immobilisierung von Zellen auf Elektrodenoberflächen. Diese Strategien zielen darauf ab, die Biosynthesewege von Elektronentransferkomponenten zu optimieren oder exogen einzuführen, zelluläre Elektronentransferwege direkt zu regulieren und die Effizienz des extrazellulären Elektronentransfers elektrogener Mikroorganismen zu verbessern.

Zukunftsaussichten der mikrobiellen Elektrochemie

In Zukunft könnte sich die Forschung auf dem Gebiet der mikrobiellen Elektrochemie auf die folgenden Aspekte konzentrieren: eingehende Analyse der Mechanismen des extrazellulären Elektronentransfers und der Biofilmbildung bei Elektrizität erzeugenden Mikroorganismen; Entwicklung aktiver bioelektrochemischer Verbundmaterialien mit Vorteilen wie guter Biokompatibilität, starker Leitfähigkeit, großer Belastbarkeit, guter Stabilität und niedrigen Kosten; und basierend auf der Interaktion zwischen Mikroorganismen und Elektroden, eingehende Forschung zur Rolle von Methoden wie mit leitfähigen Materialien modifizierten Zellen und auf Elektrodenoberflächen immobilisierten Zellen bei der Verbesserung der Effizienz des Elektronentransfers zwischen Mikroorganismen und Elektroden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die mikrobielle Elektrochemie ein sich rasch entwickelndes Fachgebiet ist, das Wissen aus mehreren Disziplinen kombiniert, um neue Lösungen für den Umweltschutz und die Energieerzeugung bereitzustellen. Mit dem vertieften Verständnis elektroaktiver Mikroorganismen und der Entwicklung neuer Technologien wird erwartet, dass die mikrobielle Elektrochemie in Zukunft eine noch wichtigere Rolle spielen wird.

Quellen:

[1] Fu Jie, Li Chuanfu. Mikrobielle Brennstoffzellen: Energiegewinnung aus Abfall[N]. Jugend-Wissenschafts- und Technologie-Innovationsnachrichten, 19.07.2024 (06).

[2] Feng Yujie, Ren Nanqi, Li Da, He Weihua et al. Prinzipien und Anwendungen der mikrobiellen Elektrochemie (M). Wissenschaftspresse. 2022-07.

[3]Zhang, L., Zhang, Y., Liu, Y. et al. Redoxvermittelte Shewanella-Mikrobenflussbrennstoffzellen mit hoher Leistungsdichte. Nat. Kommun. 15, 8302 (2024).

[4]Li C, Liang D, Tian Y, et al. Die neuesten Fortschritte bei Separatoren und mikrobiellen elektrochemischen Systemen im Pilotmaßstab für die Abwasserbehandlung: Begleitende Entwicklung, praktische Anwendung und Zukunftsperspektive[J]. Umweltwissenschaft und -technologie, 2024.

Autor: Li Chuanfu, Mitglied der Redaktion von „Ke Xiaoer“ der Zhejiang Science Popularization Federation, Mitglied der China Science Writers Association, Mitglied der Royal Society of Chemistry (MRSC), Goldmedaillengewinner des Zhejiang Science Communication Competition, und eines seiner Werke wurde von der Gansu Science Popularization Association zu einem der zehn besten populärwissenschaftlichen Werke des Jahres gewählt.