Stromerzeugung aus Abwasser - Bioingenieur-Bakterien produzieren Energie

Forscher haben die weit verbreiteten E. coli-Bakterien bioingenieurwissenschaftlich dazu gebracht, Elektrizität zu erzeugen. Diese bahnbrechende Arbeit, die in der Zeitschrift Joule veröffentlicht wurde, zeigt das Potenzial der Bakterien in verschiedenen Umgebungen auf, insbesondere in Abwasser.

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Wissenschaftler haben erfolgreich E. coli-Bakterien so verändert, dass sie Elektrizität erzeugen können. Dies bietet potenzielle Fortschritte in der Abfallwirtschaft, der Energieerzeugung und anderen bioelektrischen Anwendungen.

"Wir haben E. coli-Bakterien, das am häufigsten untersuchte Mikroorganismus, so umgestaltet, dass sie Elektrizität erzeugen", sagt Professor Ardemis Boghossian von der EPFL. "Obwohl es exotische Mikroorganismen gibt, die natürlicherweise Elektrizität erzeugen, können sie dies nur in Gegenwart bestimmter Chemikalien tun. E. coli kann auf einer Vielzahl von Substraten wachsen, was es uns ermöglicht hat, Elektrizität in einer breiten Palette von Umgebungen zu erzeugen, einschließlich aus Abwasser."

In einer am 8. September in der Zeitschrift Joule veröffentlichten Arbeit berichtet Boghossians Team von einem bahnbrechenden Fortschritt in der Bioelektronik, bei dem die Fähigkeiten von gewöhnlichen E. coli-Bakterien zur Stromerzeugung verbessert wurden. Die Arbeit skizziert einen neuartigen Ansatz, der sowohl die Abfallwirtschaft als auch die Energieerzeugung revolutionieren könnte.

E. coli-Bakterien, eine Grundlage der biologischen Forschung, wurden genutzt, um Elektrizität durch einen Prozess namens extrazellulärer Elektronentransfer (EET) zu erzeugen. Die EPFL-Forscher haben die E. coli-Bakterien so verändert, dass sie einen verbesserten EET aufweisen, wodurch sie hoch effiziente "elektrische Mikroben" sind. Im Gegensatz zu früheren Methoden, die spezifische Chemikalien für die Stromerzeugung erforderten, können die bioingenierte E. coli-Bakterien Elektrizität erzeugen, während sie eine Vielzahl organischer Substrate metabolisieren.

Eine der Schlüsselinnovationen der Studie ist die Schaffung eines vollständigen EET-Pfads innerhalb der E. coli, ein bisher unerreichtes Kunststück. Indem sie Komponenten aus Shewanella oneidensis MR-1 integrierten, einem Bakterium, das für die Stromerzeugung bekannt ist, haben die Forscher erfolgreich einen optimierten Pfad konstruiert, der die innere und äußere Zellmembran umspannt. Dieser neuartige Pfad übertraf frühere partielle Ansätze und führte zu einer dreifachen Steigerung der Stromerzeugung im Vergleich zu konventionellen Strategien.

Mohammed Mouhib und Melania Reggente, die führenden Wissenschaftler der Studie, posieren in ihrem Labor an der EPFL. Bild: Jamani Caillet (EPFL)

Die bioingenierten E. coli zeigten eine bemerkenswerte Leistung in verschiedenen Umgebungen, einschließlich Abwasser, das aus einer Brauerei gesammelt wurde. Während exotische elektrische Mikroben schwächelten, gedieh die modifizierte E. coli und zeigte ihr Potenzial für die Abwasserbehandlung und die Energieerzeugung im großen Maßstab.

"Statt Energie in das System zu stecken, um organische Abfälle zu behandeln, erzeugen wir gleichzeitig Elektrizität und behandeln organische Abfälle - zwei Fliegen mit einer Klatsche!", sagt Boghossian. "Wir haben unsere Technologie sogar direkt auf Abwasser getestet, das wir von Les Brasseurs, einer lokalen Brauerei in Lausanne, gesammelt haben. Die exotischen elektrischen Mikroben waren nicht einmal in der Lage zu überleben, während sich unsere bioingenierten elektrischen Bakterien exponentiell vermehren konnten, indem sie sich von diesem Abfall ernährten."

Die Auswirkungen der Studie gehen über die Abwasserbehandlung hinaus. Durch die Fähigkeit, Elektrizität aus einer Vielzahl von Quellen zu erzeugen, können die bioingenierten E. coli in mikrobiellen Brennstoffzellen, Elektrosynthese und Biosensorik eingesetzt werden, um nur einige Anwendungen zu nennen. Darüber hinaus ermöglicht die genetische Flexibilität des Bakteriums, dass es an bestimmte Umgebungen und Rohstoffe angepasst werden kann, was es zu einem vielseitigen Werkzeug für die nachhaltige Technologieentwicklung macht.

"Unsere Arbeit ist sehr aktuell, da bioingenierte bioelektrische Mikroben die Grenzen in immer mehr realen Anwendungen verschieben", sagt Mouhib, der Hauptautor des Manuskripts. "Wir haben im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik, der nur auf einem Teilpfad beruhte, und im Vergleich zu dem Mikroorganismus, der in einer der größten kürzlich in diesem Bereich veröffentlichten Studien verwendet wurde, einen neuen Rekord aufgestellt. Mit all den aktuellen Forschungsanstrengungen auf diesem Gebiet sind wir gespannt auf die Zukunft der bioelektrischen Bakterien und können es kaum erwarten, dass wir und andere diese Technologie in neue Maßstäbe bringen."