Fortschritte bei der Nutzung von Mikroorganismen für die Erzeugung von elektrischer Energie

Weltweit erforschen Wissenschaftlerteams, wie man Mikroorganismen zur Energiegewinnung nutzen kann. An der Technischen Universität Braunschweig ist das Team von Prof. Dr. Uwe Schröder diesem Ziel näher gekommen. Die Ergebnisse dieser Forschung sind jetzt in drei Artikeln renommierter Fachzeitschriften veröffentlicht worden.

Das Braunschweiger Forscherteam beschäftigt sich seit längerem mit elektrokatalytisch aktiven Bakterien. Ziel ist es, mit Hilfe dieser Biofilme eine neue Technologie zu entwickeln. Sie soll es unter anderem ermöglichen, niedrigenergetische Biomasse, wie zum Beispiel Abwasser, zur Gewinnung von elektrischer Energie oder zur Produktion von wertvollen Grundstoffen zu nutzen. Dieses Technologiekonzept ist seit längerem unter dem Schlagwort „mikrobielle Brennstoffzelle" oder „mikrobielle Bioelektrochemische Systeme" bekannt.

Der Weg vom im Labormaßstab erfolgreichen Konzept zur fertigen Technologie ist allerdings noch lang. Es müssen noch fundamentale und technologische Fragen beantwortet werden. Drei Bausteine auf diesem Weg können jetzt die Forscher aus Braunschweig in Zusammenarbeit mit externen Kooperationspartnern beisteuern.

In Zusammenarbeit mit der TU Berlin unter Federführung von Dr. Falk Harnisch, TU Braunschweig, und Dr. Diego Millo, TU Berlin, konnte erstmals eine in situ spektroelektrochemische Untersuchung an lebenden Biofilmen, das heißt Zellen in ihrer natürlichen Umgebung, präsentiert werden. Hierbei gelang erstmals eine exakte Charakterisierung der Proteine, die in der Zellmembran für den Austausch der Elektronen zwischen Bakterie und Elektrode verantwortlich sind.
D. Millo*, F. Harnisch*, S.A. Patil. H. K. Ly, U. Schröder, P. Hildebrandt
"In situ Spectroelectrochemcial Investigation of electrocatalytic microbial biofilms by surface-enhanced resonance raman spectroscopy"
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201006046/abstract

Ein weiterer Fortschritt gelang in Kooperation mit den Universitäten Marburg und Chicago: Erstmals wurden Stromdichten von bis zu 30 Ampere pro Quadratmeter gemessen. Diese bisher unerreichten Leistungsfähigkeiten von bioelektrokatalytischen Anoden konnten durch neuartige Elektrodenmaterialien erzielt werden. Auf ihnen können die Mikroorganismen in drei Dimensionen wachsen und gedeihen.
Electrospun and solution blown three-dimensional carbon fiber nonwovens for application as electrodes in microbial fuel cells
Shuiliang Chen, Haoqing Hou, Falk Harnisch, Sunil A. Patil, Alessandro A. Carmona-Martinez, Seema Agarwal, Yiyun Zhang, Suman Sinha-Ray, Alexander L. Yarin, Andreas Greiner and Uwe Schröder
Energy and Environmental Science, online
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2011/EE/C0EE00446D

Darüber hinaus wurde in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz Zentrum für Umweltforschung, Leipzig, die erste durchflusszytometrische Studie an elektrokatalytischen Biofilmen durchgeführt. Bei diesem Verfahren werden Zellen gezählt und charakterisiert. Dabei zeigte ein Vergleich von Abwasser und daraus gewonnenen elektrokatalytischen Biofilmen, dass eine Selektion von Mikroorganismen stattfindet. Diese Selektion führt dabei zu einer Anreicherung von Arten im Biofilm, die in der Bakterienquelle nicht nachweisbar ist.
F. Harnisch*, C. Koch, S.A. Patil. T. Hübschmann, S. Müller, U. Schröder
"Revealing the electrochemically driven selection in natural community derived microbial biofilms using flow-cytometry" Energy & Environmental Science, online
http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2011/EE/C0EE00605J

In Zusammenwirken können diese Erkenntnisse des Braunschweiger Forscherteams aus unterschiedlichen Teilgebieten sowohl zu einem besseren fundamentalem Verständnis der mikrobiellen Prozesse als auch zur weiteren Entwicklung der Technologie beitragen.

Kontakt
Prof. Dr. Uwe Schröder
Institut für Ökologische und Nachhaltige Chemie
E-Mail: uwe.schroeder@tu-braunschweig.de
Tel.: +49(0)531 391 8425

Dr. Falk Harnisch
Institut für Ökologische und Nachhaltige Chemie
E-Mail: f.harnisch@tu-braunschweig.de
Tel.: +49(0)531 391 8428

Weitere Informationen:
http://www.tu-braunschweig.de/oekochemie/akschroeder