Bakterielle Energiegewinnung, Methangas Biogas

Bakterielle Energiegewinnung

Die bakterielle Fähigkeit zum Protonentransport bei der Photosynthese wird im Rahmen dieser Arbeit unter dem Oberbegriff ‚Sonnenenergie’ betrachtet. Die bakterielle Wasserspaltung wird dagegen im Anschluß an die Alkohole unter dem Oberbegriff ‚Wasserstoff’ behandelt, da das gewünschte Ergebnis dieser Spaltung ja der Energieträger Wasserstoff ist.

Zur bakteriellen Energiegewinnung gehören viele unterschiedliche Stämme mit ebenso viel unterschiedlichen Resultaten. Die wichtigste Form ist wohl die Biogasgewinnung (s.d.). Allerdings gibt es auch andere – natürliche und ‚künstliche’ – Stämme, die in Zukunft möglicherweise größere Bedeutung erlangen könnten. Einige davon möchte ich hier nennen:

Im Umkreis vulkanischer Quellen in 2.000 – 3.000 m Tiefe werden Bakterien gefunden, welche die Erdwärme nutzen um CO2 und SH2 in organische Kohlenstoffverbindungen zu überführen, die sie als Energiequelle benötigen.

Ende 1992 geben Forscher der australischen Flinders-Universität in Adelaide bekannt, daß sie ein Bakterium entdeckt haben, das Kohle auch ohne Luftzufuhr in Methan umwandeln kann. Bislang waren nur Bakterien bekannt, welche die Kohle bei Luftzufuhr zerlegen. Mit dem neuen Stamm könnte auch Abraummaterial verwertet werden, das bisher nicht verwendet werden konnte und ein beträchtliches Umweltproblem dargestellt hat.

Und weil die natürlichen Gärungsprozesse für die industrielle Großanwendung optimiert werden sollen, manipulieren bereits 1994 Forscher des Imperial College in London gentechnisch an dem Bacillus stearothermophilus herum, womit sie Stroh oder Maiskolben mit einer um 30 % höheren Ausbeute  fermentieren können. Die Bakterie verdaut nämlich auch hemicellulose Zuckerarten, die fast ein Drittel des Gewichts einer Pflanze ausmachen, und setzt diese zu Ethanol um (s.d.). Da diese Gärung bei 70°C abläuft, ließe sich der Alkohol bei leichtem Unterdruck auch fortlaufend destillieren – ein weiterer Vorteil.

1996 entschlüsselt man an der Universität Regensburg die Genomsequenz des Archaeums Methanococcus um herauszufinden, wie sich die Methanenzyme für die Energiegewinnung nutzen lassen. Den Organismus hatte man in Öllagerstätten Alaskas in 3.500 m Tiefe gefunden. Dieses Bakterium vermehrt sich bei 94°C.

Anfang 2000 wird bekannt, daß Wissenschaftler der Oregon State University eine Batterie entwickelt haben, die durch den Stoffwechsel von Mikroorganismen, die am Meeresboden vorkommen, Strom erzeugt. Dabei wird der elektrische Ladungsunterschied genutzt, der durch unterschiedliche Elektronenkonzentrationen im Sediment entsteht. Tote organische Materie sinkt zum Meeresgrund und dient dort Mikroorganismen als Nahrung. Im Wasser an der Sedimentoberfläche ist Sauerstoff vorhanden, der von den dort lebenden Organismen zur Nahrungsverwertung genutzt wird. Dabei werden Elektronen aus der Nahrung auf den Sauerstoff übertragen. Wenige Zentimeter tief im Meeresboden ist dagegen kein Sauerstoff vorhanden, weshalb die dort lebenden (anderen) Organismen ihre Energie aus Schwefel- und Stickstoffverbindungen beziehen – Elektronen werden dort folglich nicht von Sauerstoff gebunden.  Zwischen der Sedimentoberfläche und dem Sedimentinneren besteht also ein Konzentrationsunterschied von Elektronen, welcher der Ladungsdifferenz einer Batterie entspricht. Es gelingt, einen schwachen elektrischen Strom zu erzeugen, der eine Diode zum Leuchten brachte, indem eine Elektrode im Sediment mit einer Elektrode im Wasser verknüpft wurde. Nach Ansicht der Forscher könnte eine derartige Bio-Batterie kleine Forschungsgeräte am Meeresboden mit Strom versorgen.

Wissenschaftler der Universität Konstanz entdecken in einem venezianischen Kanal ein bislang unbekanntes Bakterium, das eine exotische Energiequelle anzapft. Die Organismen beziehen ihre Energie aus einer chemischen Reaktion, bei der Elektronen zwischen der Phosphorverbindung Phosphit und einer Schwefelverbindung ausgetauscht werden. Als im Jahr 2000 erstmals darüber berichtet wird, war noch nicht bekannt, wieso die Mikroben diese Reaktion als Energiequelle nutzen, denn Phosphit ist an der Luft nicht stabil und in den sauerstoffreichen Sedimenten nur in geringen Mengen vorhanden. Man vermutet, daß dieser Stoffwechsel ein ‚Relikt aus der Frühzeit der Erde’ sei, da es in der Erdatmosphäre bis vor rund 2,5 Milliarden Jahren kaum Sauerstoff gegeben haben soll.

Ebenfalls 2000 gibt die Universität Südkalifornien bekannt, daß dort ein sich autonom mit Energie versorgender Roboter entwickelt wird, der mit Hilfe von Escherichia-Coli-Bakterien Zucker in elektrische Energie umwandeln kann. Der ‚Chew-Chew’ genannte Roboter wird in der Entwicklungsphase mit purem Zucker gefüttert – als Unterwasser-Version soll er aber später auch in der Lage sein, sich von Fischen zu ernähren.

Im September 2003 gelingt es Prof. Derek Lovley an der University of Massachusetts ein biotechnologisches Verfahren zu entwickeln, das mit Hilfe des Bakteriums Rhodoferax ferrireducens Zucker direkt in Elektrizität umzuwandeln, und das kontinuierlich über einen längeren Zeitraum hinweg.

Im Juni 2005 berichten die Forscher der University of Massachusetts von ihrer Entdeckung ‚mikrobieller Nanoröhrchen’, die von dem Organismus Geobacter produziert werden. Diese elektrisch leitenden Röhrchen sind 3 – 5 Nanometer breit (ein Haar ist etwa 20.000 mal dicker) und können mehrere tausend Nanometer lang werden. Sie besitzen eine hohe Festigkeit und funktionieren im Verbund wie ein Elektrogenerator. Geobacter wird untersucht, weil er ein hohes Potential zur chemischen und radioaktiven Entgiftung von Grundwasser und zur Biogasherstellung besitzt. Die als ‚pili’ bezeichneten Nanostrukturen scheinen die Elektronen zu transportieren – womit die bisherigen Erklärungsmodelle einer radikalen Revision zu unterziehen sind. Im Gegensatz zur teuren und komplizierten Herstellung von Nanoröhrchen aus Metallen, Silizium oder Kohlenstoff ist es sehr einfach, den Mikroorganismus milliardenfach zu züchten und die Nanoröhrchen ‚abzuernten’ – durch Genmanipulation vielleicht sogar mit anderen Spezifikationen.

Bislang nahmen die Geochemiker an, daß Bakterien lediglich den einfachsten Kohlenwasserstoff Methan erzeugen können. Forscher der Universität Bremen entdecken 2006 jedoch in Proben aus bis zu 400 m Tiefe aus dem Meeresboden im tropischen Pazifik vor der Küste Perus auch die bisher nicht als bakterielles Produkt bekannten Gase Ethan und Propan. Die Forscher vermuten, daß die bislang unbekannten Mikroben das Ethan aus Acetat, dem Salz der Essigsäure, und Wasserstoff zusammensetzen.

Als nächstes werde ich die wohl bekannteste, technisch umgesetzte Form der bakteriellen Energiegewinnung darstellen – das Biogas oder Methan, wie dieser Stoff wissenschaftlich bezeichnet wird.