Mikrobielle Elektrosynthese Wie können Bakterien bei der Energiewende helfen?

Strom soll grün werden. Um erzeugte Energie aus Solar und Windkraft zu speichern, könnten Mikroben helfen. Bestimmte Bakterien produzieren aus Strom und CO₂ Kraftstoffe wie Ethanol. Und nun haben Forscher erstmal gezeigt, wie der Mechanismus dahinter funktioniert.

Stromerzeugung mithilfe von Mikroben – gerade vor dem Hintergrund von Klimawandel und Energiewende klingt das vielversprechend. Tatsächlich lässt sich durch die so genannte mikrobielle Elektrosynthese Kohlendioxid binden, um damit organische Verbindungen wie Ethanol zu produzieren und so überschüssige Elektrizität zu in chemischen Kraftstoffen zu speichern. Dennoch hat diese Technologie, die bereits seit über einem Jahrzehnt bekannt ist, bisher keinen nennenswerten Durchbruch erzielt.

Laut Miriam Rosenbaum, Leiterin des Biotechnikums am Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI), liegt das vor allem daran, dass „die Biologie hinter dem Prozess bisher als eine Art Black Box betrachtet wurde“. Die Biochemikerin, widmet sich der Frage, was genau bei der mikrobiellen Elektrosynthese (MES) passiert.

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Wie die Bakterien tatsächlich Elektronen nutzen

Bei der mikrobiellen Elektrosynthese 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.

„Es gab eine Studie, die davon ausging, dass die Mikroben die Elektronen direkt nutzen“, sagt Rosenbaum. Bewiesen wurde diese Hypothese jedoch nicht. Die Forscherin 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.

Zukunftscluster Etos

Neue Elektrolyseverfahren für eine nachhaltige chemische Produktion

„Mit unserem Design konnten wir mehrere Belege dafür sammeln, dass die Bakterien Wasserstoff nutzen“, sagt 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 hat auf diese Weise auch die Spannung und Bakterienkonzentration für möglichst hohe Acetat-Erträge optimiert. „Wir hatten die höchsten bisher erreichten Acetat-Werte für eine Bakterien-Reinkultur“, berichtet Erstautor 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“, führt Boto aus. „Wir haben damit vielleicht eine neue Produktionsmethode für solche Chemikalien entdeckt.“ Insgesamt sollen die Ergebnisse helfen, die mikrobielle Elektrosynthese 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“, sagt Studienleiterin Rosenbaum. Das Biotechnikum arbeitet daran mit und kooperiert mit Verfahrenstechnikern, um größere Reaktoren für die MES zu entwickeln.

Originalpublikation: Boto ST, Bardl B, Harnisch F, Rosenbaum MA: Microbial electrosynthesis with Clostridium ljungdahlii benefits from hydrogen electron mediation and permits a greater variety of products, Green Chemistry (2023); DOI: 10.1039/D3GC00471F

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