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Beschichtung stromerzeugender Bakterienzellen erhöht Leitfähigkeit der Brennstoffzellen

Mikrobielle BrennstoffzellenElektrisch leitende Hülle für Bakterien

Manche Mikroorganismen können unter anaeroben Bedingungen Strom erzeugen. Auf diese Fähigkeit greift man bei der mikrobiellen Brennstoffzelle zurück, die besonders für Klärwerke interessant ist. Ein Schwachpunkt ist dabei die nach wie vor unbefriedigende Energiedichte. Wissenschaftler aus Singapur und China präsentieren jetzt eine unkonventionelle Lösung: Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, kann man lebende, elektroaktive Bakterien mit einem leitfähigen Polymer beschichten und somit die Leistungsfähigkeit der bioelektrochemischen Zelle entscheidend erhöhen.

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Grafik zur Polymerbeschichtung für Bakterien

Die Geschichte der mikrobiellen Brennstoffzelle reicht bis Anfang des 20. Jahrhunderts zurück. Damals verbanden Wissenschaftler zum ersten Mal Bakterienzellen mit Elektroden und erhielten Strom. Dies funktioniert, weil der Stoffwechsel der Bakterien – wenn kein Sauerstoff zugegen ist – in einen Modus wechselt, in dem er die chemische Energie anstelle in die Produktion von Kohlendioxid und Wasser in die von Protonen und Elektronen steckt. Diese Elektronen kann man in einer elektrochemischen Zelle zur Stromgewinnung verwenden.

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Solche mikrobiellen Brennstoffzellen werden derzeit im Bereich nachhaltiger Energieproduktion und insbesondere bei der Wasseraufbereitung intensiv erforscht. Ihr Schwachpunkt ist die Energiedichte. Ein großer Teil des elektrochemischen Potenzials der Bakterien liegt brach, weil die Bakterienzellen ihre produzierten Elektronen nicht and die Elektrode weiterleiten können. Um die Bakterien leitfähig zu machen, erforschen Qichun Zhang von der Nanyang Technological University in Singapur und seine Kollegen die Möglichkeit, diese in eine Hülle von leitfähigen Polymeren einzuschließen. Allerdings müssen die beschichteten Bakterien dabei natürlich lebensfähig bleiben.

Geeignet als Beschichtungsmaterial erschien den Wissenschaftlern das Polymer Polypyrrol. "Wir nahmen an, dass durch die Modifikation der Bakterienzellen mit Polypyrrol die elektrische Leitfähigkeit der Bakterienzellen steigen müsste, ohne dass die Vitalität leidet", erklärten die Autoren. Als "oxidativen Starter, um Pyrrol-Monomere auf der (Bakterien-)Oberfläche zu polymerisieren", verwendeten sie Eisenionen. Für die Versuche wählten sie das Proteobakterium Shewanella oneidensis, das Metalle gut toleriert und sowohl aerob als auch anaerob leben kann.

Nach der Beschichtung waren die Bakterien tatsächlich weiter lebendig und aktiv, sodass sie mit einer Kohlenstoffanode auf die Entwicklung von Biostrom hin getestet werden konnten. Dabei stieg die Leitfähigkeit um das 23-fache, die Stromerzeugung wuchs um das Fünffache, und die maximale Energiedichte der Anode war 14-mal höher als bei der unbeschichteten Variante. Bei Fütterung mit Laktat als Nährstoff beobachteten die Autoren einen beträchtlichen Strom, im Gegensatz zu den unbeschichteten Bakterien, die gar keinen Strom lieferten.

Mit dieser Strategie könnte man das Leitfähigkeitsproblem von mikrobiellen Anoden auf bemerkenswerte Weise lösen. Die Beschichtung von lebenden Bakterien könnte, so die Autoren der Studie, der Erforschung von mikrobiellen Brennstoffzellen eine neue Dimension verleihen, ganz zu schweigen von der grundlegenden Forschung, wie man Zelloberflächen modifizieren kann.

Angewandte Chemie: Presseinfo 26/2017

Autor: Qichun Zhang, Nanyang Tech University (Singapore), https://http://www.ntu.edu.sg/home/qczhang/

Originalbeitrag: https://doi.org/10.1002/ange.201704729

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