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Biobatterien nach dem Vorbild des Darms können Strom aus Abwasser gewinnen
Bakterien können organische Stoffe in elektrische Energie umwandeln, doch herkömmliche Biobatterien schöpfen dieses Potenzial nur begrenzt aus. Eine nach Darmzotten geformte Elektrode erzielte im Labortest bei gleichem Bauvolumen die 8,3-fache Leistungsdichte einer flachen Vergleichselektrode. Flexible Prototypen funktionierten zudem in einer nachgebildeten Abwasserleitung, bislang allerdings nur mit künstlicher Nährlösung.
Binghamton (U.S.A.). Strom aus dem Stoffwechsel von Bakterien könnte künftig kleine Sensoren mit Energie versorgen. Die Mikroorganismen geben beim Abbau von Nährstoffen Elektronen ab, die sich über geeignete Elektroden ableiten lassen. Schon frühere Biobatterien auf Papierbasis nutzten dieses Prinzip, lieferten aber nur geringe elektrische Leistungen.
Eine Schwierigkeit liegt in der Gestaltung der Elektroden. Flache Oberflächen bieten den Mikroorganismen wenig Platz, während sehr poröse Materialien durch wachsende Bakterienfilme verstopfen können. Darunter leiden die Zufuhr von Nährstoffen und der Abtransport von Stoffwechselprodukten.
Forscher der Binghamton University um Prof. Seokheun Choi haben nun untersucht, ob die Struktur des menschlichen Dünndarms eine günstigere Umgebung für stromerzeugende Bakterien schaffen kann. Sie orientierten sich an den Darmzotten, kleinen fingerförmigen Ausstülpungen, die die Oberfläche des Dünndarms vergrößern.
„Poröse Strukturen können sich durch die Bildung von Biofilmen leicht zusetzen, sodass wir große Probleme mit der Nährstoffversorgung, der Ansammlung von Abfallstoffen oder einem ungleichmäßigen Biofilmwachstum hatten“, erklärt Prof. Seokheun Choi.
Das Team hat die künstlichen Darmzotten aus einem flexiblen, elektrisch leitfähigen Hydrogel hergestellt. Das wasserhaltige Polymermaterial enthält unter anderem reduziertes Graphenoxid und bildet dicht angeordnete, fingerförmige Säulen. Diese sollen den Mikroorganismen gleichzeitig Halt, Feuchtigkeit und kurze Wege für die Nährstoffversorgung bieten.
In das Hydrogel brachten die Forscher ruhende Sporen des Bakteriums Bacillus subtilis ein. Sobald Nährlösung hinzukommt, können die widerstandsfähigen Überdauerungsformen auskeimen und zu stoffwechselaktiven Zellen werden. Die besiedelten Zotten dienen als Anode der Biobatterie. Eine Ionenaustauschmembran trennt sie von einer zweiten Elektrode aus modifiziertem Kohlenstoffgewebe.
Entscheidend ist die Stromausbeute auf dem vorhandenen Raum. Im direkten Vergleich mit flachen Elektroden gleichen Volumens erreichte die Darmzotten-Konstruktion eine 8,3-fach höhere volumetrische Leistungsdichte. Sie stieg von 8,04 auf 66,45 Mikrowatt pro Kubikzentimeter. Diese Größe gibt an, wie viel elektrische Leistung ein bestimmtes Bauvolumen liefert.
Die Forscher verglichen außerdem 24 unterschiedliche Bauformen und untersuchten dabei das Zusammenspiel von Höhe und Radius der Hydrogelzotten. Ein einzelner optimierter Zottenpfeiler erreichte eine Leistung von 8,35 Mikrowatt. Damit belegt der Versuch, dass nicht nur das Material, sondern auch die räumliche Anordnung der mikrobiellen Lebensräume eine Rolle spielt.
Bei kontinuierlicher Versorgung mit Nährlösung hielt ein Versuchsaufbau nach Angaben der Universität mindestens 14 Stunden lang eine Spannung von etwa 0,75 Volt aufrecht. Für energiearme Anwendungen wie kleine Leuchtdioden oder Mikrosensoren könnte dies interessant sein. Die absoluten Leistungswerte bleiben allerdings gering.