Mikrobe des Jahres 2024: Kabelbakterium Electronema - Lebender Stromleiter
Stromleitende Bakterien: das klingt wie Science-Fiction. Doch vor zwölf
Jahren fanden Forschende am Grund von Meeren und Seen mikrobielle Ketten,
die Strom über mehrere Zentimeter leiten können. Diese Kabelbakterien
(lat. Electronema) stimulieren den Schadstoffabbau und reduzieren die
Bildung von Treibhausgasen. Eines Tages können sie möglicherweise als
biologisch abbaubare Stromkabel genutzt werden. Die Vereinigung für
Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) ernennt mit Electronema
erstmals eine Bakterienart zur Mikrobe des Jahres, für deren vollständige
Beschreibung die Reinkultur noch fehlt.
Kabelbakterien können zwar in der Natur nachgewiesen, aber noch nicht
isoliert im Labor vermehrt werden. Ihr wichtigster Vertreter trägt daher
den vorläufigen Namen Candidatus Electronema. Kabelbakterien bilden bis zu
fünf Zentimeter lange Ketten aus Zehntausenden von Bakterienzellen. Diese
sind durch stromleitende Proteinfasern in ihrer Zellhülle verbunden. Ihre
Kettenform ermöglicht dem mehrzelligen "Körper" der Kabelbakterien eine
einzigartige Arbeitsteilung: Während in unserem Körper jede einzelne Zelle
„essen“ (Nahrung oxidieren) und „atmen“ (Sauerstoff reduzieren) muss,
teilen Kabelbakterien diese lebenserhaltende Redoxreaktion auf. Tausende
von Zellen jedes einzelnen Kabels leben im tieferen Teil des Sediments, wo
es zwar reichlich Sulfid, aber keinen Sauerstoff gibt - dieser ist
Zentimeter entfernt an der Sedimentoberfläche. Dennoch können die
Kabelbakterien das Sulfid zu Sulfat oxidieren, indem sie die dabei
anfallenden Elektronen über die stromleitenden Fasern auf den Sauerstoff
am anderen Ende des Kabels übertragen. Dank ihrer Zentimeter-langen
Stromleiter können Kabelbakterien Elektronen vom Ort der Oxidation (im
Sediment) zum Sauerstoff (an der Sedimentoberfläche) hin fließen lassen -
und damit als einzige Organismen das Sulfid in einer Zone verbrauchen, wo
es keinen Sauerstoff gibt: ein großer Vorteil gegenüber konkurrierenden
Mikroorganismen.
Kabelbakterien reduzieren Schadstoffe und Treibhausgase
Kabelbakterien produzieren im Sediment nicht nur Sulfat, sondern stellen
durch ihre Stromleiter eine Art Verlängerungskabel als indirekte
Verbindung zum Sauerstoff an der Sedimentoberfläche zur Verfügung. Damit
stimulieren sie mikrobielle Aktivitäten, die sonst nur mit Sauerstoff
möglich sind, und Populationen, die dort sonst nicht leben könnten. So
finden sich Kabelbakterien häufig in Gewässern, die mit
Kohlenwasserstoffen belastetet sind – etwa nach Benzin- oder
Ölkontamination. Die Aktivität der Kabelbakterien kann den Schadstoffabbau
erheblich ankurbeln: Sie steigern den Abbau aromatischer
Kohlenwasserstoffe oder organischer Stoffe wie Faulschlamm in den
Sedimenten überdüngter Seen. Es gibt bereits Ideen, Kabelbakterien gezielt
zur Wiederaufarbeitung kontaminierter Standorte zu nutzen. Beispielsweise
lässt sich die Wirkung der Kabelbakterien gezielt durch Elektroden im
Sediment stimulieren. Kabelbakterien könnten auch helfen, Treibhausgase zu
verringern. So entsteht in überfluteten Reisfeldern jährlich eine große
Menge des klimaschädlichen Methans. Kabelbakterien leben im Wurzelbereich
von Reispflanzen und können dort die Methanbildung verringern. Versuche im
Gewächshaus zeigen, dass sich nach der Zugabe von Candidatus Electronema
zum Boden die Methanemissionen um über 90 Prozent verringern. Vermutlich
zapfen die Bakterien die Sauerstoffversorgung der Reiswurzel an. So
ermöglichen die Kabelbakterien ein ständiges Recycling von Sulfat im
Boden. Dies verhindert die Bildung von Methan. Es gilt nun herauszufinden,
wie Kabelbakterien im Reisanbau oder etwa in Mooren gezielt stimuliert
werden können, um den Methanausstoß zu verringern.
Biokabel statt Elektroschrott?
Die Stromleitung in den Proteinfasern der Kabelbakterien ähnelt der eines
metallischen Kabels. Damit sind sie für eine auf Biomaterialien basierende
Elektronik äußerst interessant. Weltweit wird nur ein Fünftel der jährlich
über 50 Millionen Tonnen Elektroschrott recycelt. Biologisch abbaubare
Stromleiter könnten einen wichtigen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit
leisten. Die leitfähigen Strukturen der Kabelbakterien wurden bereits
patentiert, doch von einer kommerziellen Umsetzung ist die Entwicklung
noch weit entfernt.
Die spanische Künstlerin Anna Pasco Bolta nutzt die elektrische
Leitfähigkeit der Kabelbakterien bereits in ihren Projekten: Mit
Electronema-Filamenten verbindet sie Mikrofon und Verstärker für ihre über
Kabelbakterien gelesene Gedichte. Mittlerweile sind zwölf Kabelbakterien-
Arten beschrieben. Wie Candidatus Electronema können sie noch nicht als
Reinkulturen im Labor vermehrt werden, aber dank genauer Genomdaten sind
sie sehr gut charakterisiert. Vermutlich über 99 Prozent der Mikroben
unserer Welt wurde noch nicht im Labor isoliert und beschrieben; viele
spannende Eigenschaften dieser unsichtbaren Lebenswelt bleiben uns daher
bisher verborgen.
Anja Störiko (VAAM)
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Die Mikrobe des Jahres weist auf die bedeutsame Rolle der Mikroorganismen
für die Ökologie, Gesundheit, Ernährung und Wirtschaft hin. Die
Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) wählt sie
aus, um auf die Vielfalt der mikrobiologischen Welt aufmerksam zu machen.
Alle Informationen sind auch auf Englisch verfügbar
https://microbeoftheyear.org/.
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Die VAAM ist Gründungsmitglied im VBIO und vertritt über 3400
mikrobiologisch orientierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus
Forschung und Industrie. Die Bandbreite der Forschung reicht von
Bakterien, Archaeen und Pilzen in allen Ökosystemen und in Lebensmitteln
über Krankheitserreger bis hin zu Genomanalysen und industrieller Nutzung
von Mikroorganismen, ihren Enzymen und Stoffwechselprodukten.
Informationen, Experten-Kontakte, Bildmaterial:
Dr. Anja Störiko |Tel. +49 6192 23605 | <
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