Eisen ist dafür bekannt, dass es rostet, aber das passiert nicht nur bei Kontakt mit Sauerstoff und Wasser. Einige Bakterien sind auch in der Lage, Eisen anaerob in einem Prozess zu zersetzen, der als Elektrobiokorrosion bezeichnet wird.
Das im Sediment lebende Bakterium Geobacter Sulfurreducens nutzt zu diesem Zweck elektrisch leitfähige Proteinfäden, wie ein Forscherteam im Fachblatt berichtet Angewandte Chemie. Sie produzieren aus dem Eisen Magnetit, der in einer positiven Rückkopplungsschleife weitere Korrosion fördert.
Bakterielle Biofilme sind die Ursache mikrobieller Metallkorrosion, einem Zerstörer von Metallen, der kostspieligere Schäden verursacht als alle anderen biofilmbedingten Schäden zusammen. Elektrobiokorrosion wird häufig durch Bakterien verursacht, wie sie beispielsweise in Flusssedimenten vorkommen, beispielsweise durch die anaerobe Gattung Geobacter.
Geobacter nutzt zur Atmung keinen Luftsauerstoff; Stattdessen bezieht es Energie aus der Übertragung von Elektronen aus Eisen und bildet dabei Magnetit. Bisher war die Art und Weise, wie Geobacter Eisenmetall korrodiert, ein Rätsel.
Den genauen Wirkmechanismus der Elektrobiokorrosion haben nun Dake Xu und Kollegen von der Northeastern University im chinesischen Shenyang genauer untersucht.
Das Team ging davon aus, dass elektrisch leitfähige Pili, dünne Filamente, die aus den Bakterien wachsen, bei diesem Mechanismus eine wichtige Rolle spielen könnten. Geobacter bildet „E-Pili“ aus leitfähigen Proteinen, und diese E-Pili wirken wie elektrische Drähte und leiten Elektrizität. Vor dieser Studie war unklar, ob die E-Pili Elektronen direkt von Metalloberflächen abziehen können.
Um den Verdacht des Teams, nämlich den direkten Elektronenentzug, zu beweisen, ließen sie zwei Geobacter-Stämme auf einer Edelstahloberfläche wachsen, bis sich Biofilme bildeten. Einer der beiden Stämme bildete leitfähige E-Pili, während der andere noch Pili produzierte, jedoch genetisch so verändert worden war, dass die Pili aus weniger leitfähigen Proteinen gebildet wurden.
Die Forscher beobachteten, dass es dem Bakterienstamm, der E-Pili züchtete, auf der Stahlplatte deutlich besser ging. Es wuchs stärker und hinterließ tiefere Löcher im Metall, was zeigt, wie viel Metall es verbrauchte. Das Team maß außerdem einen Korrosionsstrom, ein direktes Zeichen für die Oxidation von Eisen.
Das Team kam zu dem Schluss, dass die Bakterien mit den E-Pili eine Art „elektrische Verbindung“ zum Metall bildeten. Auch Bakterien, die sich weiter entfernt im Biofilm befanden und nicht in direktem Kontakt mit dem Metall standen, konnten sich mithilfe von E-Pili mit Elektronen versorgen.
Da bei der Korrosion von Eisen Magnetit entsteht und dieses Mineral auch Strom leitet, untersuchte das Team auch dessen Einfluss auf mikrobielle Korrosion. Sie stellten fest, dass die Zugabe von Magnetit zum Biofilm nicht nur das Wachstum von Geobacter steigerte, sondern auch zu einem stärkeren Korrosionsstrom führte, der an der Oberfläche des Metalls gemessen wurde.
„Die Feststellung, dass Magnetit, ein häufiges Korrosionsprodukt, die Elektrobiokorrosion begünstigt, hat erhebliche Auswirkungen auf die Korrosion“, betont das Team. Sie empfehlen daher, bei künftigen Versuchen zur Verbesserung des Korrosionsschutzes die Neigung von Werkstoffen zur Magnetitbildung zu berücksichtigen.
Mehr Informationen:
Yuting Jin et al., Beschleunigte mikrobielle Korrosion durch Magnetit und elektrisch leitfähige Pili durch direkten Fe0-zu-Mikroben-Elektronentransfer, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2023). DOI: 10.1002/ange.202309005