Biobatterie nutzt sporenbildende Bakterien in künstlichen Darmzotten

Ein Wissenschaftsteam der Binghamton University hat einen ungewöhnlichen Weg beschritten, um eine neuartige Biobatterie zu entwerfen, die sporenbildende Bakterien zur Erzeugung von Bioenergie nutzt. Die Forscher orientierten sich dabei an Mechanismen, wie sie im menschlichen Verdauungstrakt zur Bildung von Mikroorganismen vorkommen. Die Biobatterie könnte in Abwasserrohre eingesetzt werden, um Abwasser autark zu reinigen und zugleich Energie zu erzeugen.

Die Forscher der Binghampton University haben sich bei der Entwicklung ihrer Biobatterie von den Besiedlungsprozessen von Mikroorganismen im Dünndarm inspirieren lassen, um ideale Bedingungen für die Erzeugung von Bioenergie durch sporenbildende Bakterien zu schaffen. Dabei kommt den Darmzotten (Villi), fingerartige Ausstülpungen im Dünndarm, eine besondere Bedeutung bei der Vermehrung im Verdauungstrakt zu, schreiben die Wissenschaftler in der Studie „Intestinal Villi‐Inspired Living Biobatteries via Habitat‐Engineered Conductive Hydrogel Architectures“, die in Small erschienen ist. Denn Zotten weisen eine große Oberfläche auf, sodass sich dort Bakterien gut ansiedeln und vermehren können.

Die Wissenschaftler wollten entsprechend Zotten künstlich nachbilden, um mit ihnen sporenbildende Bakterien des Typs „Bacillus subtilis“ vermehren zu können. Frühere Ansätze mit porösem Material, das eine große Oberfläche zur besseren Ansiedlung der Bakterien besitzt, eigneten sich dafür jedoch nicht. Denn die porösen Strukturen verstopfen durch die Bildung von Biofilmen, was die Nährstoffzufuhr und die Ansammlung von Stoffwechselprodukten behindert und zu einem ungleichen Wachstum des nötigen Biofilms führt. Zotten, die in der Biobatterie als Elektroden dienen, sollen dieses Problem nicht aufweisen. Sie haben eine große Oberfläche, bieten kurze Diffusionswege und damit einen effizienten Stofftransport. Hinzu kommt, dass sie mechanisch dehnbar, flexibel und skalierbar sind.

Künstliche Zotten als Batterieanode

Die Forscher bildeten die Zotten mittels eines flexiblen Polymer-Hydrogels nach und brachten inaktive Bakterien in deren Struktur ein. Die Zotten funktionieren in der Biobatterie als Anode. Um eine elektrische Spannung zu erzeugen, sind sie durch eine Ionenaustauschmembran von einer Kathode aus modifiziertem Kohlenstoffgewebe getrennt.

Wird nun kontinuierlich ein Nährmedium zugeführt, liefert das System eine stabile Spannung. In Experimenten gelang es den Wissenschaftlern, über mindestens 14 Stunden hinweg eine stabile Spannung von 0,75 Volt zu erzeugen. Das reichte aus, um damit LEDs zum Leuchten zu bringen oder winzige Körpersensoren anzutreiben.

Die Forscher sind der Ansicht, dass sich die Biobatterie dafür eignet, Abwasser autark zu reinigen. In Abwasserrohren eingesetzt, könnten die im Abwasser enthaltenen Abfallstoffe als Nährstoffe für die Bakterien genutzt werden, die dadurch zugleich Energie erzeugen.

Die Wissenschaftler der Binghamton University beabsichtigen nun, die Herstellung der Biobatterien zu optimieren. Dazu soll eine einstufiges skalierbares 3D-Druckverfahren entwickelt werden. Außerdem streben die Wissenschaftler an, die biologischen Prozesse des Dünndarms noch besser in den künstlichen Zotten nachzubilden. Das soll zu einem besseren Verständnis führen, wie Bakterienzellen ihre Lebensfähigkeit aufrechterhalten können.