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10.06.2013

Mikroben als stromgetriebene Zellfabriken

Das Konzept der mikrobiellen Brennstoffzelle funktioniert so: Bakterien bauen energiereiche Substanzen ab und die entstehenden Elektronen können an eine Elektrode abgegeben werden – Strom wird gewonnen. Denkbar ist auch der umgekehrte Fall: Werden geeignete Bakterien mit elektrischer Energie gespeist, werden sie zu zellulären Fabriken, die aus der Zutat Kohlendioxid interessante Chemikalien oder Energieträger herstellen können. „Mikrobielle Elektrosynthesen“ heißt dieses Konzept, dem sich ein Forschertandem des gemeinnützigen DECHEMA-Forschungsinstituts (DFI) in Frankfurt widmen will. Das interdisziplinären Wissenschaftlerteam um Dirk Holtmann und Klaus-Michael Mangold will dazu in der Natur nach geeigneten Mikroben fahnden oder sie molekularbiologisch für die Elektrosynthese fit machen. Zudem wollen die beiden Kollegen geeignete elektrochemische Reaktorsysteme entwickeln.

Fütterung von Mikroben mit Elektronen
Über den Weg der sogenannten mikrobiellen Elektrosynthese könnten interessante Chemikalie oder Energieträger entstehen.
Quelle: 
Dirk Holtmann/DFI

Die Umwandlung von elektrischer Energie, etwa aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen, in chemische Energieträger mit Hilfe von Mikroben ist ein Konzept, das in den vergangenen Jahren zunehmend in den Fokus von Biotechnologen gerückt ist. Mit mikrobiellen Elektrosynthesen beschäftigen sich auch der Bioverfahrenstechniker Dirk Holtmann und der Elektrochemiker Klaus-Michael Mangold. Beide arbeiten unter demselben Dach: Dem DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI) in Frankfurt am Main. Die Kommunikationswege für ihr Tandem-Projekt sind deshalb denkbar kurz: „Es liegt bloß eine Treppe und 33 Schritte zwischen uns“, sagt Holtmann. Beste Voraussetzungen für ein eng verzahntes Projekt also.

Auf dem Weg zur mikrobiellen Elektrosynthese wollen die Forscher zunächst einmal Mikroben aus der Natur unter die Lupe nehmen. „Wir wollen uns geeignete Mikroorganismen vornehmen und messen, wie leistungsfähig sie wirklich sind“. In einem zweiten Schritt wollen die Forscher versuchen, die Produktionsleistung zu optimieren. „Dazu planen wir, die Stämme auch molekularbiologisch zu optimieren – etwa durch den Einsatz von Synthetischer Biologie“, so Holtmann. Da elektronenleitende Bakterien sich meist in Form von Biofilmen um Elektroden formieren, ist es auch wichtig, die Entstehung solcher Strukturen genau zu verstehen, um sie später einmal gezielt steuern zu können. Auch die Entwicklung von Reaktoren ist ein wichtiger Schritt in dem Tandem-Projekt.

Das große Ziel der Forscher: Die Produktionsraten ihrer mikrobiellen Eletrosynthese-Systeme steigern und eine höhere Raum-Zeit-Ausbeute erreichen. Produkte, die den Forschern vorschweben, sind Methan, Aceton, Butanol oder Aminosäuren. (pg)

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