Bei der mikrobiellen Elektrosynthese nutzen Mikroorganismen CO2 und
Elektrizität, um zum Beispiel Alkohol zu produzieren. Wie dieser Prozess
biologisch funktioniert, darüber wurde bisher jedoch nur spekuliert.
Forschende des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und
Infektionsbiologie (Leibniz-HKI) konnten nun erstmals experimentell
bestätigen, dass Bakterien Elektronen aus Wasserstoff nutzen und mehr
Chemikalien produzieren können als bisher bekannt.
Mikrobielle Elektrosynthese ist vor dem Hintergrund von Klimawandel und
Energiewende eine vielversprechende Technologie: Sie kann Kohlendioxid
binden, als Treibstoff nutzbares Ethanol und andere organische
Verbindungen produzieren und so überschüssige Elektrizität speichern.
Dennoch konnte die Technologie, die bereits seit über einem Jahrzehnt
bekannt ist, bisher keinen nennenswerten Durchbruch erzielen.
Laut Miriam Rosenbaum, Leiterin des Biotechnikums am Leibniz-HKI, liegt
das vor allem daran, dass „die Biologie hinter dem Prozess bisher als eine
Art Black Box betrachtet wurde“. Die Biochemikerin, die den Lehrstuhl für
Synthetische Biotechnologie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena
innehat, widmet sich schon seit langem der Frage, was genau bei der
Mikrobiellen Elektrosynthese (MES) passiert.
Genau hierbei ist ihrem Team nun ein Durchbruch gelungen: Die Forschenden
konnten zeigen, dass Bakterien die durch elektrischen Strom zugeführten
Elektronen nicht direkt aufnehmen, sondern stattdessen den daraus
gebildeten Wasserstoff nutzen. Dies wurde zwar als eine Möglichkeit lange
vermutet, aber bisher hatte niemand den experimentellen Beweis erbracht.
Sie fanden außerdem heraus, dass mit der Methode noch mehr nützliche
Chemikalien produziert werden können als bisher angenommen und sie
optimierten den Prozess für möglichst hohe Erträge.
Kontrollierte Bedingungen
Bei der MES wird an eine wässrige Nährlösung mit Mikroorganismen Strom
angelegt, gleichzeitig wird Kohlendioxid zugeführt. Die Mikroorganismen
nutzen die Elektrizität und den Kohlenstoff, um organische Verbindungen
wie Ethanol oder Acetat zu produzieren. Dafür nutzen sie die zugeführten
Elektronen – doch wie, das war bisher unklar.
„Es gab eine Studie, die davon ausging, dass die Mikroben die Elektronen
direkt nutzen“, sagt Rosenbaum. Bewiesen wurde diese Hypothese jedoch
nicht. Rosenbaum hielt es für wahrscheinlicher, dass die Mikroorganismen
Wasserstoff für ihre Biosynthese nutzen. Denn beim Anlegen von Strom und
Kohlendioxid passiert das, was auch bei einer klassischen Elektrolyse
passiert: Wasser wird aufgespalten in Wasserstoff und Sauerstoff.
„Bisher hat niemand wirklich den Wasserstoff direkt im System gemessen“,
erklärt Santiago Boto, Erstautor der Studie. Er hat den MES-Reaktor
deswegen so aufgebaut, dass er alle Parameter genau kontrollieren kann.
Dafür nutzt er eine Reinkultur mit dem Bakterium Clostridium ljungdahlii
in einer Reihe verschiedener Konzentrationen. Zudem kann er den
Stromzufluss kontrollieren und den an der Elektrode entstehenden
Wasserstoff sowie den aus der Flüssigkeit entweichenden Wasserstoff
mithilfe von Mikrosensoren messen.
„Mit unserem Design konnten wir mehrere Belege dafür sammeln, dass die
Bakterien Wasserstoff nutzen“, so Boto. War die Bakterienkonzentration im
Nährmedium so gewählt, dass diese einen Biofilm an der Kathode bildeten
und nur noch wenig Wasserstoff in der Elektrodenumgebung messbar war, war
die Aktivität der Bakterien deutlich reduziert. Das passierte auch, wenn
die Spannung nicht ausreichend hoch für eine Elektrolyse war. Nur wenn
Wasserstoff von der Elektrode ausgehend frei verfügbar für planktonische –
also frei schwimmende – Bakterien war, zeigten diese eine hohe Aktivität.
Neue Biosynthesewege aufgedeckt
Das Forschungsteam konnte auf diese Weise die Spannung und
Bakterienkonzentration für möglichst hohe Acetat-Erträge optimieren. „Wir
hatten die höchsten bisher erreichten Acetat-Werte für eine Bakterien-
Reinkultur“, so Boto. Als Nebenergebnis stellte er zudem fest, dass
Aminoverbindungen entstanden, die die Bakterien normalerweise nicht
produzieren. In Kooperation mit Falk Harnisch vom Umweltforschungszentrum
in Leipzig wurde in der Arbeit auch gezeigt, dass es zu bisher ebenfalls
nicht beschriebenen Reaktionen zwischen Nährmedium und Kathode kommt, die
den Syntheseprozess offenbar beschleunigen.
Das Team will die Prozesse nun noch weiter optimieren und die bisherigen
Befunde gezielt erforschen. „Aminoverbindungen sind für die chemische
Industrie sehr interessant, die von uns verwendeten Bakterien werden
außerdem bereits industriell verwendet. Wir haben damit vielleicht eine
neue Produktionsmethode für solche Chemikalien entdeckt“, so Boto.
Insgesamt sollen die Ergebnisse helfen, die MES wirtschaftlich lohnend zu
machen. „Ich gehe davon aus, dass wir in den kommenden Jahren einen
starken Aufschwung bei dieser Technologie erleben werden, wenn wir endlich
auch die Biologie in den Fokus nehmen“, so Rosenbaum. Das Biotechnikum
arbeitet daran mit und kooperiert mit Verfahrenstechnikern, um größere
Reaktoren für die MES zu entwickeln.
Die Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des
Schwerpunktprogramms eBiotech unterstützt.