Elektrisch leitende Polymerbeschichtung für Bakterien
Die Leistung von mikrobiellen Brennstoffzellen steigt erheblich, wenn die stromerzeugenden Bakterienzellen mit einem leitfähigen Polymer beschichtet werden. Verleiht eine neuartige Beschichtung der Forschung eine neue Dimension?
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.
Elektronen werden nicht weitergeleitet
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. 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 sie die Möglichkeit, diese in eine Hülle von leitfähigen Polymeren einzuschließen. Allerdings müssen die beschichteten Bakterien dabei natürlich lebensfähig bleiben.
Eisenionen als oxidativer Starter
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 sie. 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.
Lebendige und aktive Bakterien
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.
Leitfähigkeitsproblem gelöst
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.