Haben Sie schon einmal die Tentakeln von Mikroorganismen gesehen, die Strom leiten können? Willst du eins?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Liu Qian, Ma Luyan (Institut für Mikrobiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Wir modernen Menschen können nicht ständig ohne Elektrizität leben, beispielsweise ohne elektrisches Licht für die Beleuchtung in der Nacht, Computer zum Arbeiten usw. Elektrizität kommt auch in der Natur vor, beispielsweise in Form starker Entladungsphänomene am Himmel – Blitze. Was kann sonst noch Strom leiten?

Mikroorganismus!

Bereits 1910 entdeckten britische Botaniker, dass die Kulturflüssigkeit bestimmter Mikroorganismen elektrischen Strom erzeugen kann, und entwickelten die weltweit erste mikrobielle Batterie. Bislang haben Wissenschaftler Hunderte von Mikroorganismen entdeckt, die mit Elektrizität in Verbindung stehen, und diese Mikroorganismen als elektrochemisch aktive Mikroorganismen bezeichnet.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler entdeckt, dass einige elektrochemisch aktive Mikroorganismen über einen magischen „leitfähigen Tentakel“ verfügen, der diesen Mikroorganismen dabei helfen kann, Elektronen über weite Entfernungen zu übertragen. Bei diesen „leitfähigen Tentakeln“ handelt es sich um die leitfähigen Nanodrähte von Mikroorganismen.

Sie erzeugen Strom mit Liebe, sie leiten Strom mit Drähten

Im Jahr 2005 entdeckten Wissenschaftler erstmals diesen „leitfähigen Tentakel“, der Elektronen vom Zellinneren nach außen übertragen kann, bei einem Mikroorganismus namens Geobacillus sulfurreducens und nannten ihn „leitfähige Nanodrähte“.

**Leitfähige Nanodrähte sind lineare Strukturen mit einem Durchmesser von Nanometern, die von Mikroorganismen selbst synthetisiert werden. **Im Zuge der kontinuierlichen Vertiefung der Forschung haben Wissenschaftler auch leitfähige Nanodrähte in vielen Mikroorganismen wie thermophilen Fermentationsbakterien, Cyanobakterien, Rhodopseudomonas palustris, sulfatreduzierenden Bakterien und Acidithiobacillus ferrooxidans entdeckt, was auf die weit verbreitete Existenz leitfähiger Nanodrähte hinweist.

Die „leitfähigen Tentakeln“ von Mikroorganismen

(Bildnachweis: Sibel Ebru Yalcin/eurekalert, Übersetzung: Autorin)

Interessanterweise stellten die Wissenschaftler fest, dass die Arten und Mengen der leitfähigen Nanodrähte bei verschiedenen Arten von Mikroorganismen unterschiedlich waren. Soweit derzeit bekannt ist, bestehen die leitfähigen Nanodrähte in Shewanella Oneida aus der äußeren Zellmembran und Erweiterungen des periplasmatischen Raums.

Es gibt drei Arten leitfähiger Nanodrähte in Geobacter sulfurreducens, die alle aus Proteinen bestehen. Darüber hinaus ist die Leitfähigkeit dieser drei leitfähigen Nanodrähte nicht gleich. Die Leitfähigkeit eines leitfähigen Nanodrahts ist 1.000-mal stärker als die eines anderen leitfähigen Nanodrahts.

Leitfähigkeit ist nicht weiß

Welche Rolle spielen leitfähige Nanodrähte im Leben von Mikroorganismen? Durch Forschung haben Wissenschaftler herausgefunden, dass leitfähige Nanodrähte zwei Hauptfunktionen haben: Sie nehmen am physiologischen Stoffwechsel von Mikroorganismen teil und vermitteln die symbiotische Beziehung zwischen Mikroorganismen.

Mikrobielle Nanodrähte

(Bildnachweis: Sibel Ebru Yalcin/eurekalert)

Nehmen Sie am physiologischen Stoffwechsel von Mikroorganismen teil: Beispielsweise können die leitfähigen Nanodrähte von Geobacter sulfurreducens Elektronen in der Zelle auf weit entfernte, unlösliche eisenhaltige Mineralien übertragen, dreiwertiges Eisen reduzieren und so den Atmungsprozess abschließen und die für Lebensaktivitäten benötigte Energie speichern. Dieser Vorgang wird auch Eisenatmung genannt.

Vermittlung symbiotischer Beziehungen zwischen Mikroorganismen: Leitfähige Nanodrähte können Mikroorganismen dabei helfen, Elektronen auf andere benachbarte Mikroorganismen zu übertragen. Beispielsweise kann Geobacter metalloreducing Elektronen, die durch seine eigene Oxidation von Ethanol entstehen, über leitfähige Nanodrähte an Geobacter sulfurreducing übertragen, und Geobacter sulfurreducing verwendet die erhaltenen Elektronen, um Fumarsäure zu reduzieren, wodurch eine Symbiose der beiden Mikroorganismen in einer Umgebung erreicht wird, die reich an Ethanol und Fumarsäure ist.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der metallreduzierende Mikroorganismus Geobacter auch Elektronen, die durch die Oxidation von Ethanol entstehen, über leitfähige Nanodrähte an Methanogene übertragen kann, während die Methanogene die gewonnenen Elektronen nutzen, um Kohlendioxid zu Methan zu reduzieren, wodurch eine Symbiose zwischen den beiden Mikroorganismen entsteht.

Die leitfähigen Tentakeln von Mikroorganismen sind praktisch

Im Zuge der kontinuierlichen Forschung an leitfähigen Nanodrähten haben Wissenschaftler entdeckt, dass diese eine hohe Leitfähigkeit und Stabilität aufweisen und daher ein großes Anwendungspotenzial in den Bereichen Bio-Neuenergie, Biomaterialien und Umweltsanierung bieten.

Nanodraht-produzierende Bakterien

(Bildnachweis: Sibel Ebru Yalcin/eurekalert)

1. Neue Bioenergie

Dies ist eine der vielversprechendsten Anwendungen leitfähiger Nanodrähte. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass leitfähige Nanodrähte zur Entwicklung mikrobieller Brennstoffzellen und Biobatterien verwendet werden können.

Eine mikrobielle Brennstoffzelle ist ein Gerät, das Mikroorganismen nutzt, um chemische Energie in organischer Materie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Wissenschaftler haben eine Reihe von Geräten entwickelt, die durch das bloße Züchten elektrochemisch aktiver Mikroorganismen Strom erzeugen können. Gleichzeitig haben Wissenschaftler auch entdeckt, dass die Stromproduktion mikrobieller Brennstoffzellen weiter gesteigert werden kann, indem man die Expression leitfähiger Nanodrähte in bestimmten Mikroorganismen durch Gentechnik fördert.

Darüber hinaus haben einige Wissenschaftler versucht, die von Mikroorganismen produzierten leitfähigen Nanodrähte zu sammeln und zu reinigen, um Mikrobiobatterien auf der Basis leitfähiger Nanodrähte herzustellen. Die Stromdichte dieser Batterie ist sogar höher als die von Vollmetallbatterien. Diese Entdeckung ist ein weiterer Beweis dafür, dass leitfähige Nanodrähte ein großes Entwicklungspotenzial im Bereich der Bioenergie haben.

2. Biomaterialien

Die leitfähigen Nanodrähte von Geobacillus sulfurreducens verfügen auch in Lösung und Hochtemperaturumgebung über eine gute Elektronenübertragungsfähigkeit und besitzen eine gewisse mechanische Festigkeit, sodass sie sich für die Herstellung neuer umweltfreundlicher und schadstofffreier bioelektronischer Geräte wie Batterien oder Schaltungskomponenten in Herzschrittmachern eignen. Wissenschaftler haben auch versucht, ein Verbundmaterial mit den leitfähigen Nanodrähten von Geobacillus sulfurreducens und Polyvinylalkohol herzustellen und fanden heraus, dass das Verbundmaterial eine höhere thermische Stabilität und einen größeren Leitfähigkeitsbereich aufweist.

3. Umweltsanierung

Mikrobielle leitfähige Nanodrähte können giftige Metalle in der Umwelt umwandeln und wandern lassen und haben einen wichtigen Anwendungswert bei der Sanierung von mit Schwermetallen kontaminierten Böden. Beispielsweise können die leitfähigen Nanodrähte von Geobacter sulfurreducens giftiges lösliches sechswertiges Uran U (VI) zu unlöslichem vierwertigem Uran U (IV) reduzieren, und das reduzierte vierwertige Uran haftet an der Oberfläche der leitfähigen Nanodrähte, wodurch eine Urananreicherung und -fixierung erreicht wird; Die leitfähigen Nanodrähte von Synechocystis (einem Cyanobakterium) können zur Ablagerung des Schwermetalls Arsen beitragen.

Abschluss

In den letzten Jahren hat die zunehmend eingehende Forschung der Wissenschaftler zu leitfähigen Nanodrähten nicht nur das Verständnis der Menschen für Mikroorganismen erweitert, sondern auch ihr Verständnis für die Wechselwirkung zwischen Mikroorganismen und der Umwelt vertieft. Gleichzeitig wurde damit auch eine theoretische Grundlage für die Anwendung von Mikroorganismen in der Bioremediation, der Bio-Neuenergie und anderen Bereichen geschaffen.

Herausgeber: Sun Chenyu