Lebende Brennstoffzellen

Netzwerke aus Bakterien und Nanomineralien leiten bei der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie effektiv Elektronen

Mit einem Kraftwerk aus Bakterien wollen japanische Forscher Strom erzeugen. In der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" präsentieren sie einen ersten Prototyp für eine Biobrennstoffzelle, die statt mit Wasserstoff mit organischen Substanzen wie beispielsweise Laktat angetrieben wird. Um aus den chemischen Bindungsenergien von Biomolekülen direkt Strom zu gewinnen, bauten die Wissenschaftler ein Netzwerk aus lebenden Bakterien und halbleitenden Nanomaterialien.

Kazuhito Hashimoto und seine Kollegen von der Universität Tokio züchteten eine Kultur aus Tiefseebakterien der Art Shewanella loihica. Sie mischten lebende Zellen in eine Lösung, die winzige, Nanometer kleine Eisenoxid-Partikel enthielt, und füllten diese in eine Kammer mit Elektroden. Rasch schlug sich eine Schicht aus Bakterien und Eisenoxidpartikeln auf einer Elektrode aus Indiumzinnoxid nieder. Danach fütterten die Forscher ihre Zellen mit Laktat und beobachteten einen Stromfluss. Bei der Verdauung des Laktats übertrugen die Bakterien effizient Elektronen an die Elektrode.

Verantwortlich für den guten Elektronentransfer sind die Halbleitereigenschaften der Eisenoxid-Nanopartikel, die die Zellen untereinander verbinden. Die Zellen wirken dabei als elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Eisenoxidpartikeln. Cytochrome, Enzyme in der äußeren Zellmembran dieser Bakterien, transferieren die Elektronen zwischen den Zellen und den Eisenoxidpartikeln, ohne dass eine besondere Energiebarriere überwunden werden muss. So entsteht ein leitfähiges Netzwerk, das auch den weit von der Elektrode entfernten Zellen erlaubt, an der Stromerzeugung teilzuhaben.

Noch reicht der Stromfluss nicht aus, um mit dieser lebenden Brennstoffzelle elektrische Geräte betreiben zu können. Aber die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die Bakterien Nährstoffe abbauen, dabei Eisenoxid reduzieren und Elektronen auf eine Elektrode übertragen können. Nun kann die Stromausbeute der Biobrennstoffzelle mit verschiedenen Bakterienkulturen und ausgeklügelten Konstruktionen weiter gesteigert werden. Mögliche Anwendungen liegen in der Stromversorgung von autark arbeitenden Sensoren oder in der Entwicklung von Lab-On-Chip-Minilaboren.