Stellen Sie sich eine Welt vor, in der elektronische Geräte von lebenden Organismen angetrieben werden und sich nach Gebrauch biologisch abbauen, wodurch das Problem des Elektroschrotts beseitigt wird. Dies ist nicht die Handlung eines futuristischen Science-Fiction-Films – es ist ein echtes, wachsendes Forschungsgebiet namens Bioelektronik. Mikroben sind natürlich die Stars dieser Show.
Mikrobielle Aktivität hat die Chemie der Erde geprägt und treibt aktiv biogeochemische Kreisläufe voran. Aber seitdem sind Wissenschaftler auf das gestoßen, was man so nennt elektroaktive MikrobenDas Potenzial, die Elektronik zu revolutionieren und nachhaltigere, umweltfreundlichere Technologien zu schaffen, wird zunehmend erforscht.
Mikroben, die Strom erzeugen
Wie der Name schon sagt, können elektroaktive Mikroben Strom erzeugen. Seit über einem Jahrzehnt dominieren Mikroben wie Shewanella und Geobacter die Forschung zur mikrobiellen Elektroaktivität. Diese Bakterien leben in Umgebungen, in denen es nur wenig oder keinen Sauerstoff gibt, und verlassen sich auf eine bemerkenswerte Energiestrategie: Sie übertragen Elektronen aus ihren Zellen auf leitfähige terminale Elektronenakzeptoren wie Mineralien. Im Wesentlichen können sie Metalle anstelle von Sauerstoff „atmen“ und dabei Strom erzeugen.
Wissenschaftler haben Elektroaktivität genutzt, um etwas zu erschaffen Bioelektrochemische Systemedie Elektroden als Ersatz für die Mineralien verwenden, die diese Mikroben natürlicherweise als ihre terminalen Elektronenakzeptoren verwenden würden. Daher nutzen diese Systeme Mikroben als Katalysatoren, um durch Reduktion der Elektrode Strom zu erzeugen.
Bioelektrochemische Systeme haben seit ihrer Konzeption einen langen Weg zurückgelegt und sich auf verschiedene Anwendungen ausgeweitet, wie z Abwasserbehandlung, Rückgewinnung von Schwermetallen, Biosensorik zur Erkennung von Schadstoffen in Wasser und Boden sowie Kohlenstoffabscheidung.
Diese Bakterien (und bioelektrochemischen Systeme) unterliegen jedoch Einschränkungen. Ihr Elektronentransfer erfolgt nur über kurze Entfernungen – Mikrometer –, was bedeutet, dass ihre Anwendungen zwar vielversprechend, aber in ihrem Umfang begrenzt geblieben sind. In den letzten Jahren wurde jedoch ein neuer Mikroorganismus entdeckt, der den Elektronentransfer auf ein völlig neues Niveau hebt.
Die Entdeckung der Kabelbakterien: Die elektrischen Leitungen der Natur
Die Entdeckung der Kabelbakterien im Jahr 2012 war ein bahnbrechendes Ereignis in der Biologie und eröffnete neue Möglichkeiten in der Bioelektronik. Kabelbakterien verbinden die Oxidation von Sulfid und die Reduktion von Sauerstoff durch Elektronentransfer über Zentimeterentfernungen. Stellen Sie sich ein langes, fadenförmiges Bakterium vor, durch dessen Körper ein leitender „Draht“ verläuft, der den Elektronen den Fluss von einem Ende der gesamten Struktur zum anderen ermöglicht, ähnlich einem elektrischen Kabel.
Genau das tun Kabelbakterien in ihren natürlichen Lebensräumen, typischerweise Meeres- und Süßwassersedimenten. Ihre Fähigkeit, Elektronen über so große Entfernungen zu leiten, ist aus bioelektronischer Sicht faszinierend. Wissenschaftler sind immer noch dabei, die Struktur des leitfähigen periplasmatischen Drahtes zu entschlüsseln, aber ihre bemerkenswerten Eigenschaften regen bereits jetzt die Fantasie von Wissenschaftlern und Innovatoren gleichermaßen an.
Bioelektronik: Integration leitfähiger mikrobieller Strukturen in die Elektronik
Wie gelangt diese Forschung also vom Meeresboden zur Hightech-Elektronik? Während die Idee einer lebenden und atmenden Elektronik wie Science-Fiction klingen mag, schreitet die Forschung auf diesem Gebiet voran. Eine der aufregendsten Anwendungen elektroaktiver Bakterien wie Geobacter und Kabelbakterien ist die Entwicklung biologischer Elektronik.
Leitfähige Nanodrähte aus Geobacter können im Massenmaßstab hergestellt, extrahiert und in elektronische Schaltkreise integriert werden. Diese Nanodrähte wurden in Dünnschichtschaltkreisen zur Stromerzeugung verwendet Umgebungsfeuchtigkeit. Der Vorteil solcher Materialien liegt in der Tatsache, dass sie Elektrizität leiten können und gleichzeitig biologisch abbaubar und ungiftig sind. Dadurch besteht die Möglichkeit, biologisch abbaubare Elektronik herzustellen, die sich am Ende ihres Lebenszyklus auf natürliche Weise zersetzt.
Wissenschaftler erforschen auch, wie mit Mineralien verkrustete Bakterien in elektronischen Bauteilen eingesetzt werden könnten. Einige elektroaktive Mikroben, darunter Geobacter und Kabelbakterien, produzieren entlang ihrer Filamente leitfähige Mineralschichten – wie Eisen- und Manganoxide.
Diese Verkrustungen könnten die Fähigkeit zur Speicherung und Übertragung elektrischer Energie weiter verbessern. Hier kommt die Idee mikrobieller „Batterien“ oder biologischer Kondensatoren ins Spiel – lebende Geräte, die Energie speichern und abgeben können, genau wie die Kondensatoren in Ihrem Telefon oder Laptop.
Stellen Sie sich vor, Sensoren zur Erkundung entlegener Umgebungen – etwa in der Tiefsee oder sogar im Weltraum – mithilfe von Bakterien anzutreiben, die ihren eigenen Strom erzeugen. Tatsächlich wurden mikrobielle Brennstoffzellen verwendet, um Energie aus Mikroben zu erzeugen und eine meteorologische Boje anzutreiben. Aktuelle Studien deuten darauf hin, dass bestimmte von diesen Mikroben produzierte Mineralien gleichmäßig sind photoaktivwas bedeutet, dass sie in solarbetriebenen Geräten verwendet werden könnten, mit Anwendungen in der mikrobiellen Solarenergieerzeugung.
Nachhaltigkeit der Bioelektronik
Was die Bioelektronik von der traditionellen elektronischen Technologie unterscheidet, ist nicht nur die Wissenschaft, sondern der Nachhaltigkeitsfaktor. Eine der größten Herausforderungen in der heutigen Elektronikproduktion ist die zunehmende Menge an anfallendem Elektroschrott. Die Nachfrage nach neuen elektronischen Geräten wie Smartphones und Computern hat zu einer zunehmenden Menge an umweltschädlichem Elektroschrott geführt.
Derzeit werden weltweit weniger als 20 % des Elektroschrotts recycelt, während der Rest häufig auf Mülldeponien gelagert und dort freigesetzt wird schädliche Giftstoffewie Schwermetalle (Arsen, Chrom, Cadmium und Quecksilber) und organische Verbindungen (polychlorierte Biphenyle), in die Umwelt.
Aber was wäre, wenn die Geräte, die wir täglich verwenden, aus Materialien hergestellt werden könnten, die sich mit der Zeit auf natürliche Weise zersetzen? Durch die Nutzung der Elektronenübertragungsfähigkeiten von Mikroben sind Forscher auf dem Weg zum Schaffen biologisch abbaubare Kreisläufe und autarke elektronische Systeme. Dies bedeutet, dass Geräte unabhängig vom Stromnetz funktionieren könnten, angetrieben durch den mikrobiellen Stoffwechsel, und wenn sie nicht mehr benötigt werden, könnten sie in harmlose Bestandteile zerfallen.
Durch Mikroben betriebene Bioelektronik könnte auch die Abhängigkeit von seltenen und giftigen Materialien verringern, die derzeit in der Elektronikindustrie verwendet werden, und eine umweltfreundliche Alternative für die Energieversorgung der Zukunft bieten. Dieses Ziel erfordert jedoch noch viel Arbeit, bevor es in die Praxis umgesetzt wird.
Während Kabelbakterien zu zeigen scheinen Halbleitereigenschaften In ihrem Stromnetz ist die Beschaffenheit ihrer leitenden Drähte noch nicht bekannt. Darüber hinaus ist es immer noch schwierig, Kabelbakterien im Labor zu kultivieren, und unser Verständnis dafür, wie wir ihre Fähigkeiten zur Elektronenübertragung voll ausnutzen können, steckt noch in den Kinderschuhen.
Auf der Elektronikseite besteht die größte Herausforderung darin, die langfristige Betriebsstabilität dieser Geräte sicherzustellen, was schwierig ist. Auch die Skalierung dieser Technologien ist nicht einfach. Das Potenzial zur Schaffung nachhaltiger Elektronik ist jedoch spannend und interdisziplinäre Teams aus Biologen, Chemikern, Physikern und Ingenieuren arbeiten zusammen, um diese Vision in die Realität umzusetzen. Mit fortschreitender Forschung werden möglicherweise leitfähige mikrobielle Strukturen in komplexere Geräte integriert.
Wenn wir in die Zukunft blicken, bietet die Integration von Biologie und Elektronik einen Weg zu einer nachhaltigeren Welt, in der lebende Organismen dazu beitragen, die Geräte von morgen anzutreiben. Da diese winzigen Mikroben uns immer wieder überraschen, könnten sie durchaus der Schlüssel zur Lösung einiger der größten Herausforderungen der modernen Technologie sein.