Fundidesulfovibrio terrae nutzt Elektrizität, um CO2 in Acetat umzuwandeln

Strom treibt normalerweise Maschinen an – nicht Mikroben. Doch Forschende stossen zunehmend auf Bakterien, die sich direkt an feste Oberflächen „ankoppeln“ und Elektronen aus ihnen aufnehmen können.

Diese Energie nutzen die Organismen, um CO2 in verwertbare Chemikalien umzuwandeln. Damit eröffnet sich potenziell ein neuer Ansatz, erneuerbare Energie in Form von chemischen Produkten zu speichern.

In einer aktuellen Studie wurde ein Bodenbakterium beschrieben, das Elektronen aus Mineralen oder von Elektroden zieht und dabei CO2 zu Acetat umsetzt – einem wichtigen Industriegrundstoff.

Besonders bemerkenswert: Der Mikroorganismus kann Elektronen nicht nur aufnehmen, sondern bei Bedarf auch wieder abgeben. Je nach Bedingungen wechselt er also zwischen „Strom aufnehmen“ und „Strom liefern“.

Mikrobe bewegt Elektronen in beide Richtungen

Aus Reisfeldboden isoliert, zeigte der Keim Fundidesulfovibrio terrae eine unerwartete elektrische Vielseitigkeit, sobald er mit festen Mineralen und Elektroden in Kontakt kam.

Mit präzise kontrollierten Elektroden konnte Dr. Yong Yuan von der Guangdong University of Technology (GDUT) beobachten, dass zunächst Elektronen aus den Zellen herausflossen – und später wieder in die Zellen zurückkehrten, nachdem das Bakterium seinen Stoffwechselmodus umgestellt hatte.

Anstatt gelöste chemische Zwischenprodukte als Umweg zu nutzen, tauschte der Organismus Ladung direkt mit festen Oberflächen aus und hielt so in beide Richtungen eine messbare elektrische Aktivität aufrecht.

Diese Umkehrbarkeit deutet auf eine seltene biologische Fähigkeit hin und wirft die Frage auf, wie ein einzelnes Bakterium gegensätzliche Elektronenflüsse organisieren kann, ohne dabei Energie zu verlieren.

Wie Zellen Strom transportieren

Einige Bakterien behandeln Minerale und metallische Oberflächen als „Partner“ im Energiestoffwechsel und übertragen Elektronen über die Grenzfläche.

Dieser Prozess heisst extrazellulärer Elektronentransfer: Elektronen werden zwischen der Zelle und einer festen Oberfläche ausserhalb der Zelle bewegt.

In bestimmten Fällen kann derselbe Mikroorganismus überschüssige Elektronen nach aussen abgeben und später – wenn Energiequellen knapp werden – Elektronen wieder nach innen aufnehmen.

Da nur wenige Arten beide Richtungen beherrschen, lässt sich dieser Stamm nutzen, um stabilere, elektrodenbasierte Reaktoren zu entwickeln, die weniger elektrische Leistung vergeuden.

Mikroben reduzieren Eisen direkt

In Laboransätzen in Flaschen heftete sich das Bakterium unmittelbar an Eisenminerale an und veränderte deren Chemie, ohne dass zusätzliche Hilfschemikalien zugegeben wurden.

Statt gelöste Moleküle als Elektronenshuttles einzusetzen, übertrugen die Zellen Elektronen direkt in das feste Mineral hinein, sodass weniger reaktives Eisen zurückblieb.

Innerhalb von sieben Tagen erreichte der Vorgang eine Reduktionsrate von 68.3 percent – ein auffälliges Ergebnis für einen frisch isolierten Stamm.

Solcher Direktkontakt ist auch in natürlichen Sedimenten relevant: Dort können Mikroben, die auf Mineraloberflächen sitzen, unauffällig mitbestimmen, wie Metalle im Umweltkreislauf umgesetzt werden.

Biofilme ermöglichen gleichmässige Reaktionen

Auf Graphitelektroden bildeten die Zellen eine dichte, lebende Schicht, die selbst bei wechselnden Bedingungen fest an der Oberfläche haftete.

Dieser Biofilm – eine eng gepackte Gemeinschaft auf einer Oberfläche – hielt den Elektronentransport zwischen dem leitfähigen Material und den Zellen in Gang.

In den Versuchen lieferte derselbe Mikroorganismus aus dieser angehefteten Schicht einen stabilen Strom über mehr als eine Elektrodeneinstellung hinweg.

Für künftige Reaktorkonzepte ist die feste Anlagerung entscheidend, weil Zellen, die nicht haften, weggespült werden, bevor eine nennenswerte chemische Produktion aufrechterhalten werden kann.

Elektrizität treibt CO2-Fixierung an

Wenn eine Elektrode Elektronen bereitstellte, nutzte das Bakterium CO2 als einzige Kohlenstoffquelle und produzierte dennoch Acetat. In einer mikrobiellen Elektrosynthese – einem Aufbau, in dem Mikroben mithilfe von Strom Chemikalien herstellen – stieg die Acetatkonzentration auf 11.05 millimolar.

CO2 gelangte in die Zelle und wurde über eine Reaktionskette zu einem Zwei-Kohlenstoff-Produkt umgebaut. Diese Kette ist der Wood-Ljungdahl-Weg, also eine Route, die aus CO2 mithilfe gespendeter Elektronen Acetat aufbaut.

Unter Nutzung der eingehenden Elektronen wandelte das Bakterium CO2 vor allem in Acetat um, statt diesen Kohlenstoff primär in neues Zellwachstum zu lenken.

Durch die Kopplung dieses Weges an Elektrizität konnte die Zelle Kohlenstoff auch dann weiter fixieren, wenn organische „Nahrung“ knapp war.

„Dieser Mikroorganismus zeigt eine aussergewöhnliche Fähigkeit, Energie direkt aus elektrischen Quellen zu gewinnen und in den Kohlenstoffstoffwechsel zu leiten“, sagte Dr. Yuan.

„Seine metabolische Flexibilität schafft eine neue biologische Plattform, um erneuerbaren Strom mit Kohlenstoffrecycling zu verknüpfen.“

Molekulare Drähte in Mikroben

An der Zellgrenze transportierten spezialisierte Komponenten Elektronen nach aussen zu einer Oberfläche – und bei Energiezufuhr durch die Elektrode auch wieder nach innen.

Der Elektronentransport über Membranen stützte sich auf c-Typ-Cytochrome, also Häm-Proteine, die in beiden elektrischen Betriebsarten Elektronen durch Membranen bewegen.

Hinweise aus dem Genom deuteten ausserdem auf haarähnliche Filamente hin, mit deren Hilfe der Biofilm Ladung mit benachbarten Feststoffen austauschen kann.

In wassergesättigten Böden und schlammigen Lebensräumen gedeihen solche Bakterien häufig, wenn der Sauerstoff aufgebraucht ist und viele andere Mikroben nicht überleben.

Ihre Gruppe, die sulfatreduzierenden Bakterien – Mikroben, die statt Sauerstoff Sulfat nutzen – leitet Elektronen üblicherweise in Richtung von Schwefelverbindungen.

Der neue Stamm erweitert dieses Bild, weil er zeigt, dass elektrische Lebensweisen auch bei Mikroben auftreten können, die vor allem für Schwefelchemie bekannt sind.

Dass eine solche Flexibilität in einer verbreiteten Bodenlinie auftaucht, legt nahe, dass „elektrische“ Mikroben an mehr Orten verborgen sein könnten als bislang angenommen.

Skalierung mikrobieller Energiesysteme

Bereits 2010 zeigten Experimente mit Sporomusa ovata, dass sich aus elektrodenversorgtem CO2 Acetat herstellen lässt – ein früher Beleg dafür, dass das Prinzip funktioniert.

Trotzdem stehen moderne Reaktoren weiterhin vor grossen Hürden: Elektronen gelangen oft zu langsam zu den Zellen, der pH-Wert kann durch zunehmende Versauerung kippen, und angesammelte Produkte können die Mikroben ausbremsen.

Ein Ansatz aus dem Jahr 2017 setzte auf Durchflussreaktoren, um die Acetatproduktion zu erhöhen und die Energieeffizienz zu verbessern; dennoch blieb das System weit vom industriellen Maßstab entfernt.

Mit einem bidirektionalen Sulfatreduzierer wächst zwar der biochemische Werkzeugkasten, doch in realen Produktionsanlagen müssen Ingenieurinnen und Ingenieure weiterhin Tempo, Reinheit und Kosten gegeneinander austarieren.

Die Kombination aus Elektrizität und Kohlenstoffrecycling in einem einzigen Mikroorganismus eröffnet einen zusätzlichen Weg, erneuerbaren Strom als Chemikalien zu speichern – ohne auf weitere fossile Brennstoffe angewiesen zu sein.

Für die nächsten Schritte braucht es langlaufende Reaktorbetriebe, eine strengere Kontrolle von Nebenreaktionen und ein engmaschiges Monitoring, damit Acetat auch bei einer Skalierung zur dominierenden Zielverbindung bleibt.