Erste experimentelle Bestätigung, dass einige Mikroben durch Elektrizität angetrieben werden

Bei der mikrobiellen Elektrosynthese nutzen Mikroorganismen CO2 und Strom, um beispielsweise Alkohol herzustellen. Wie dieser Prozess biologisch abläuft, wurde bisher allerdings nur spekuliert. Forscher des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI) konnten nun erstmals experimentell bestätigen, dass die Bakterien Elektronen aus Wasserstoff nutzen und mehr chemische Substanzen produzieren können als bisher bekannt. Ihre Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Grüne Chemie.

Die mikrobielle Elektrosynthese ist vor dem Hintergrund des Klimawandels und der Energiewende eine vielversprechende Technologie: Sie kann Kohlendioxid binden, Ethanol und andere organische Verbindungen herstellen, die als Kraftstoff genutzt werden können, und so überschüssigen Strom speichern. Dennoch konnte die seit mehr als einem Jahrzehnt bekannte Technologie bisher keinen nennenswerten Durchbruch in Richtung Kommerzialisierung erzielen.

Das liegt laut Miriam Rosenbaum, Leiterin des Biotechnikums am Leibniz-HKI, vor allem daran, dass „die Biologie hinter dem Prozess bislang als eine Art Blackbox betrachtet wurde“. Der Biochemiker, Inhaber des Lehrstuhls für Synthetische Biotechnologie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena, beschäftigt sich seit langem mit der Frage, was genau bei der mikrobiellen Elektrosynthese (MES) passiert.

Genau auf diesem Gebiet ist dem Team nun ein Durchbruch gelungen. Die Forscher konnten zeigen, dass Bakterien die durch elektrischen Strom zugeführten Elektronen nicht direkt aufnehmen, sondern Wasserstoff zur Übertragung der Elektronen nutzen. Dies wurde schon lange als Möglichkeit vermutet, doch bisher konnte niemand experimentelle Beweise liefern. Sie fanden außerdem heraus, dass mit der Methode noch mehr nützliche Chemikalien hergestellt werden konnten als bisher angenommen, und optimierten den Prozess für größtmögliche Ausbeuten.

Kontrollierte Bedingungen

Bei der MES wird einer wässrigen Nährlösung, die Mikroorganismen enthält, Strom zugeführt und gleichzeitig Kohlendioxid zugeführt. Die Mikroorganismen nutzen Strom und Kohlenstoff, um organische Verbindungen wie Ethanol oder Acetat herzustellen. Dazu nutzen sie die zugeführten Elektronen – allerdings war bisher unklar, wie.

„Es gab eine Studie, die davon ausging, dass die Mikroben die Elektronen direkt nutzten“, sagt Rosenbaum. Diese Hypothese wurde jedoch nicht bewiesen. Rosenbaum hielt es für wahrscheinlicher, dass die Mikroben Wasserstoff für ihre Biosynthese nutzten. Denn bei der Anwendung von Strom und Kohlendioxid geschieht dasselbe wie bei der klassischen Elektrolyse: Wasser wird in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

„Bisher hat niemand Wasserstoff wirklich direkt im System gemessen“, erklärt Santiago Boto, Erstautor der Studie. Deshalb richtete er den MES-Reaktor so ein, dass er alle Parameter präzise steuern kann. Dazu nutzt er eine Reinkultur mit dem Bakterium Clostridium ljungdahlii in unterschiedlichen Konzentrationen. Darüber hinaus kann er den elektrischen Stromfluss steuern und mithilfe von Mikrosensoren den an der Elektrode entstehenden Wasserstoff sowie den aus der Flüssigkeit austretenden Wasserstoff messen.

„Mit unserem Design konnten wir mehrere Beweise dafür sammeln, dass die Bakterien Wasserstoff verwendeten“, sagte Boto. Wenn die Konzentration der Bakterien im Nährmedium so hoch war, dass sie einen Biofilm auf der Kathode bildeten und in der Elektrodenumgebung wenig Wasserstoff messbar war, war die Aktivität der Bakterien deutlich reduziert. Dies geschah auch, wenn die Spannung für die Elektrolyse nicht hoch genug war. Erst wenn Wasserstoff für planktonische – also frei schwimmende – Bakterien von der Elektrode aus frei verfügbar war, zeigten sie eine hohe Aktivität.

Neue Biosynthesewege entdeckt

Auf diese Weise konnte das Forscherteam Spannung und Bakterienkonzentration für höchstmögliche Acetatausbeuten optimieren. „Wir hatten die bislang höchsten Acetatwerte für eine reine Bakterienkultur“, sagte Boto. Als Nebenergebnis stellte er auch fest, dass Aminoverbindungen gebildet wurden, die die Bakterien normalerweise nicht produzieren. In Zusammenarbeit mit Falk Harnisch vom Umweltforschungszentrum Leipzig zeigte die Arbeit außerdem, dass es zu bislang ebenfalls nicht beschriebenen Reaktionen zwischen dem Nährmedium und der Kathode kommt, die offenbar den Syntheseprozess beschleunigen.

Das Team will die Prozesse nun noch weiter optimieren und die bisherigen Erkenntnisse gezielt aufarbeiten. „Aminoverbindungen sind für die chemische Industrie sehr interessant, und auch die von uns verwendeten Bakterien werden bereits industriell genutzt. Möglicherweise haben wir damit eine neue Produktionsmethode für solche Chemikalien entdeckt“, sagte Boto.

Insgesamt sollten die Ergebnisse dazu beitragen, MES kommerziell nutzbar zu machen. „Ich gehe davon aus, dass wir in den kommenden Jahren einen starken Aufschwung dieser Technologie erleben werden, wenn wir uns endlich auch auf die Biologie konzentrieren“, sagte Rosenbaum. Die Biopilotanlage arbeitet hier zusammen und arbeitet mit Verfahrenstechnikern zusammen, um größere Reaktoren für MES zu entwickeln.