Wissenschaftler der EPFL haben einen Ansatz entwickelt, der die Fähigkeit des Bakteriums E. coli zur Stromerzeugung verbessert. Dieser Fortschritt bietet eine leistungsfähige und nachhaltige Lösung für die Behandlung von organischen Abfällen und eröffnet neue Horizonte für die vielseitige mikrobielle Stromerzeugung.
"Wir haben das Bakterium E. coli, die am besten erforschte Mikrobe, so verändert, dass es Strom erzeugt", sagt Professorin Ardemis Boghossian von der EPFL. "Zwar gibt es exotische Mikroben, die auf natürliche Weise Elektrizität erzeugen, doch können sie dies nur in Gegenwart bestimmter Chemikalien tun. Das E.-coli-Bakterium kann auf einem breiten Spektrum von Quellen wachsen, was es uns ermöglicht hat, in vielen verschiedenen Umgebungen Strom zu erzeugen, unter anderem aus Abwässern. "
In einem in der Zeitschrift Joule veröffentlichten Artikel kündigt das Team von Ardemis Boghossian einen Durchbruch in der Bioelektronik an, indem es die Fähigkeiten des gewöhnlichen E. coli-Bakteriums zur Stromerzeugung verbessert hat. Seine Arbeit beschreibt einen neuen Ansatz, der sowohl die Abfallentsorgung als auch die Energieerzeugung revolutionieren könnte.
Das Bakterium E. coli, ein wichtiger Bestandteil der biologischen Forschung, wurde so verändert, dass es durch einen Prozess, der als extrazellulärer Elektronentransfer (EET) bezeichnet wird, Elektrizität erzeugt. Die Forscherinnen und Forscher der EPFL haben das E. coli-Bakterium so verändert, dass es einen besseren EET aufweist, was es zu einer sehr effizienten "elektrischen Mikrobe" macht. Im Gegensatz zu früheren Methoden, die spezielle Chemikalien zur Stromerzeugung benötigten, kann das modifizierte E . coli-Bakterium Strom erzeugen, während es verschiedene organische Substrate verstoffwechselt.
Eine der wichtigsten Innovationen der Studie ist die Schaffung eines vollständigen EET-Pfades in E. coli-Bakterien, eine bisher noch nicht erreichte Leistung für die Stromerzeugung. Durch die Integration von Komponenten aus Shewanella oneidensis MR-1, einem Bakterium, das für seine Fähigkeit zur Stromerzeugung bekannt ist, gelang es den Forscherinnen und Forschern, einen optimierten Weg zu schaffen, der die inneren und äußeren Zellmembranen und alles dazwischen durchdringt. Dieser neue Weg übertraf die bisherigen partiellen Ansätze und ermöglichte eine Verdreifachung der Stromerzeugung im Vergleich zu herkömmlichen Strategien.
Abwasser als Spielwiese
Das modifizierte E. coli-Bakterium zeigte in verschiedenen Umgebungen eine bemerkenswerte Leistung, unter anderem im Abwasser einer Brauerei. Während exotische elektrische Mikroben versagten, wuchs das modifizierte E. coli-Bakterium und demonstrierte sein Potenzial für die Abfallbehandlung in großem Maßstab und die Energiegewinnung.
"Anstatt Energie in das System einzuspeisen, um den organischen Abfall zu verarbeiten, erzeugen wir Strom, während wir den organischen Abfall verarbeiten, und schlagen so zwei Fliegen mit einer Klappe", sagt Ardemis Boghossian. "Wir haben unsere Technologie sogar direkt mit dem Abwasser getestet, das wir in der Lausanner Brauerei Les Brasseurs gesammelt haben. Die exotischen elektrischen Mikroben konnten nicht einmal überleben, während unsere modifizierten elektrischen Bakterien sich schnell vermehren konnten, indem sie sich von diesem Abfall ernährten. "
Die Auswirkungen der Studie gehen über die Abfallbehandlung hinaus. Da das modifizierte E. coli-Bakterium in der Lage ist, Strom aus einer breiten Palette von Quellen zu erzeugen, kann es unter anderem in mikrobiellen Brennstoffzellen, der Elektrosynthese und der Biosensorik eingesetzt werden. Dank seiner genetischen Flexibilität kann das Bakterium auch an bestimmte Umgebungen und Rohstoffe angepasst werden, was es zu einem vielseitigen Werkzeug für die Entwicklung nachhaltiger Technologien macht.
"Unsere Arbeit kommt zur rechten Zeit, denn modifizierte bioelektrische Mikroben verschieben die Grenzen in immer mehr praktischen Anwendungen", erklärt Mohammed Mouhib, Hauptautor des Artikels. "Wir haben einen neuen Rekord im Vergleich zum vorherigen technischen Stand aufgestellt, der nur auf einem partiellen Elektronenübertragungsweg beruhte. Es sind auch die besten Ergebnisse, die bisher mit dieser Mikrobe erzielt wurden, die in einem kürzlich veröffentlichten Papier verwendet wurde . Mit all den Forschungsanstrengungen, die derzeit in diesem Bereich unternommen werden, sind wir sehr zuversichtlich, was die Zukunft der bioelektrischen Bakterien angeht, und freuen uns darauf, diese Technologie weiterzuentwickeln. "
Andere Mitwirkende
- Universität Chongqing, College of Environment and Ecology
- Universität Freiburg im Breisgau, Institut für Biologie III
Referenzen
Mohammed Mouhib, Melania Reggente, Lin Li, Nils Schuergers, Ardemis A. Boghossian. Extracellular electron transfer pathways to enhance the electroactivity of modified Escherichia coli. Joule 08 September 2023. DOI: 10.1016/j.joule.2023.08.006
