359 Milliarden Kubikmeter Abwasser fallen weltweit jährlich an. Das entspricht etwa dem vierfachen Volumen des Genfersees. In diesem Abfallstrom steckt nach Berechnungen eines Forscherteams rechnerisch chemische Energie von über 800.000 Gigawattstunden. Das entspricht größenordnungsmäßig der Jahresproduktion von 100 Ein-Gigawatt-Kernkraftwerken, ist aber nicht vollständig als Strom nutzbar. Dazu kommen Stickstoff, Phosphor und andere Nährstoffe, die heute größtenteils verloren gehen. Diese Zahlen sind Teil eines aktuellen Übersichtsartikels, der unter Federführung der Universität Greifswald im Fachjournal Frontiers in Science erschienen ist. Der Artikel zeigt, wie mikrobielle elektrochemische Technologien, kurz METs, dieses Potenzial erschließen könnten. Er liefert zugleich eine umfassende Bestandsaufnahme eines Forschungsgebietes, das Mikrobiologie und Elektrochemie verbindet.

Bakterien liefern Elektronen

METs basieren auf elektrochemisch aktiven Mikroorganismen, die natürlicherweise im Abwasser vorkommen. Diese Bakterien bauen organische Substanzen ab und geben dabei Elektronen an eine Elektrode ab, was einen messbaren Stromfluss erzeugt. Je nach Systemdesign lässt sich dieser Elektronenfluss für verschiedene Zwecke nutzen. In sogenannten mikrobiellen Brennstoffzellen entsteht direkt Strom aus Abwasser, während der Reinigungsprozess gleichzeitig abläuft. Mikrobielle Elektrolysezellen nutzen den mikrobiellen Elektronenfluss und eine zusätzliche elektrische Spannung, um Wasserstoff, Methan oder andere energiereiche Produkte zu erzeugen. Mikrobielle Elektrosynthesezellen ermöglichen sogar die Umwandlung von CO₂ in organische Verbindungen durch elektrisch betriebene Mikroorganismen. Daneben beschreibt der Artikel Systeme zur gezielten Rückgewinnung von Stickstoff und Phosphor aus Abwasser. Beide Nährstoffe sind für die Landwirtschaft unverzichtbar. Während Ammoniakdünger heute energieintensiv hergestellt wird, stammt Phosphat aus begrenzten Lagerstätten. Das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) Leipzig, an dem Mitautor Prof. Falk Harnisch forscht, arbeitet parallel an der Reaktorentwicklung und untersucht Anwendungen jenseits der klassischen Abwasserbehandlung, etwa für Reststoffe aus der Lebensmittel- oder Papierverarbeitung.

Vom Pilotversuch zum Praxistest

Die Forschenden halten fest, dass METs technologisch vielversprechend, aber noch nicht in der Breite anwendungsreif sind. Die zentralen Hürden liegen in der Systemrobustheit, den Kosten und der Energieeffizienz. Für den Sprung in den Praxismaßstab braucht es optimierte Reaktorkonstruktionen, günstigere Elektrodenmaterialien und eine bessere Steuerung der Elektronenübertragungsprozesse zwischen Bakterium und Elektrode. Auf der wirtschaftlichen Seite sind Förderprogramme, Pilotanlagen und regulatorische Anreize notwendig, um die etablierte Abwasserbranche für die neue Technologie zu gewinnen. Der Übersichtsartikel liefert mit seiner umfassenden Bestandsaufnahme eine Grundlage für genau diese nächsten Schritte. Für die Bioökonomie sind METs relevant, weil sie organisch belastete Abwasser- und Reststoffströme als Ressource nutzbar machen und daraus Energie, Nährstoffe oder chemische Produkte gewinnen können.

ag