{"id":128139,"date":"2023-06-19T07:12:00","date_gmt":"2023-06-19T05:12:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=128139"},"modified":"2023-06-14T13:46:26","modified_gmt":"2023-06-14T11:46:26","slug":"mikroben-unter-strom","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/mikroben-unter-strom\/","title":{"rendered":"Mikroben unter Strom"},"content":{"rendered":"\n\n\n
\"In
In kleinen Bioreaktoren k\u00f6nnen die Forschenden die Bedingungen der mikrobiellen Elektrosynthese genau kontrollieren. \u00a9<\/strong> Ronja M\u00fcnch\/Leibniz-HKI<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Bei der mikrobiellen Elektrosynthese nutzen Mikroorganismen CO2<\/sub> und Elektrizit\u00e4t, um zum Beispiel Alkohol zu produzieren. Wie dieser Prozess biologisch funktioniert, dar\u00fcber wurde bisher jedoch nur spekuliert. Forschende des Leibniz-Instituts f\u00fcr Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI) konnten nun erstmals experimentell best\u00e4tigen, dass Bakterien Elektronen aus Wasserstoff nutzen und mehr Chemikalien produzieren k\u00f6nnen als bisher bekannt.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Mikrobielle Elektrosynthese ist vor dem Hintergrund von Klimawandel und Energiewende eine vielversprechende Technologie: Sie kann Kohlendioxid binden, als Treibstoff nutzbares Ethanol und andere organische Verbindungen produzieren und so \u00fcbersch\u00fcssige Elektrizit\u00e4t speichern. Dennoch konnte die Technologie, die bereits seit \u00fcber einem Jahrzehnt bekannt ist, bisher keinen nennenswerten Durchbruch erzielen.<\/p>\n\n\n\n

Laut Miriam Rosenbaum, Leiterin des Biotechnikums am Leibniz-HKI, liegt das vor allem daran, dass \u201edie Biologie hinter dem Prozess bisher als eine Art Black Box betrachtet wurde\u201c. Die Biochemikerin, die den Lehrstuhl f\u00fcr Synthetische Biotechnologie an der Friedrich-Schiller-Universit\u00e4t Jena innehat, widmet sich schon seit langem der Frage, was genau bei der Mikrobiellen Elektrosynthese (MES) passiert.<\/p>\n\n\n\n

Genau hierbei ist ihrem Team nun ein Durchbruch gelungen: Die Forschenden konnten zeigen, dass Bakterien die durch elektrischen Strom zugef\u00fchrten Elektronen nicht direkt aufnehmen, sondern stattdessen den daraus gebildeten Wasserstoff nutzen. Dies wurde zwar als eine M\u00f6glichkeit lange vermutet, aber bisher hatte niemand den experimentellen Beweis erbracht. Sie fanden au\u00dferdem heraus, dass mit der Methode noch mehr n\u00fctzliche Chemikalien produziert werden k\u00f6nnen als bisher angenommen und sie optimierten den Prozess f\u00fcr m\u00f6glichst hohe Ertr\u00e4ge.<\/p>\n\n\n\n

\"Das
Das Bakterium Clostridium ljungdahlii<\/em> unter dem Elektronenmikroskop. \u00a9 <\/strong>Sara Al Sbei\/Leibniz-HKI und Martin Westermann\/ EMZ Jena<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Kontrollierte Bedingungen<\/h3>\n\n\n\n

Bei der MES wird an eine w\u00e4ssrige N\u00e4hrl\u00f6sung mit Mikroorganismen Strom angelegt, gleichzeitig wird Kohlendioxid zugef\u00fchrt. Die Mikroorganismen nutzen die Elektrizit\u00e4t und den Kohlenstoff, um organische Verbindungen wie Ethanol oder Acetat zu produzieren. Daf\u00fcr nutzen sie die zugef\u00fchrten Elektronen \u2013 doch wie, das war bisher unklar.<\/p>\n\n\n\n

\u201eEs gab eine Studie, die davon ausging, dass die Mikroben die Elektronen direkt nutzen\u201c, sagt Rosenbaum. Bewiesen wurde diese Hypothese jedoch nicht. Rosenbaum hielt es f\u00fcr wahrscheinlicher, dass die Mikroorganismen Wasserstoff f\u00fcr ihre Biosynthese nutzen. Denn beim Anlegen von Strom und Kohlendioxid passiert das, was auch bei einer klassischen Elektrolyse passiert: Wasser wird aufgespalten in Wasserstoff und Sauerstoff.<\/p>\n\n\n\n

\u201eBisher hat niemand wirklich den Wasserstoff direkt im System gemessen\u201c, erkl\u00e4rt Santiago Boto, Erstautor der Studie. Er hat den MES-Reaktor deswegen so aufgebaut, dass er alle Parameter genau kontrollieren kann. Daf\u00fcr nutzt er eine Reinkultur mit dem Bakterium Clostridium ljungdahlii<\/em> in einer Reihe verschiedener Konzentrationen. Zudem kann er den Stromzufluss kontrollieren und den an der Elektrode entstehenden Wasserstoff sowie den aus der Fl\u00fcssigkeit entweichenden Wasserstoff mithilfe von Mikrosensoren messen.<\/p>\n\n\n\n

\u201eMit unserem Design konnten wir mehrere Belege daf\u00fcr sammeln, dass die Bakterien Wasserstoff nutzen\u201c, so Boto. War die Bakterienkonzentration im N\u00e4hrmedium so gew\u00e4hlt, dass diese einen Biofilm an der Kathode bildeten und nur noch wenig Wasserstoff in der Elektrodenumgebung messbar war, war die Aktivit\u00e4t der Bakterien deutlich reduziert. Das passierte auch, wenn die Spannung nicht ausreichend hoch f\u00fcr eine Elektrolyse war. Nur wenn Wasserstoff von der Elektrode ausgehend frei verf\u00fcgbar f\u00fcr planktonische \u2013 also frei schwimmende \u2013 Bakterien war, zeigten diese eine hohe Aktivit\u00e4t.<\/p>\n\n\n\n

Neue Biosynthesewege aufgedeckt<\/h3>\n\n\n\n

Das Forschungsteam konnte auf diese Weise die Spannung und Bakterienkonzentration f\u00fcr m\u00f6glichst hohe Acetat-Ertr\u00e4ge optimieren. \u201eWir hatten die h\u00f6chsten bisher erreichten Acetat-Werte f\u00fcr eine Bakterien-Reinkultur\u201c, so Boto. Als Nebenergebnis stellte er zudem fest, dass Aminoverbindungen entstanden, die die Bakterien normalerweise nicht produzieren. In Kooperation mit Falk Harnisch vom Helmholtz-Zentrum f\u00fcr Umweltforschung in Leipzig wurde in der Arbeit auch gezeigt, dass es zu bisher ebenfalls nicht beschriebenen Reaktionen zwischen N\u00e4hrmedium und Kathode kommt, die den Syntheseprozess offenbar beschleunigen.<\/p>\n\n\n\n

\"Schematische
Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus: In einem der Beh\u00e4lter w\u00e4chst die Bakterienkultur, Elektrizit\u00e4t und CO2<\/sub> werden zugef\u00fchrt. Ein zweiter Beh\u00e4lter dient der elektrochemischen Gegenreaktion; hier entsteht Sauerstoff. \u00a9<\/strong> Santiago Boto\/Leibniz-HKI<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Das Team will die Prozesse nun noch weiter optimieren und die bisherigen Befunde gezielt erforschen. \u201eAminoverbindungen sind f\u00fcr die chemische Industrie sehr interessant, die von uns verwendeten Bakterien werden au\u00dferdem bereits industriell verwendet. Wir haben damit vielleicht eine neue Produktionsmethode f\u00fcr solche Chemikalien entdeckt\u201c, so Boto. Insgesamt sollen die Ergebnisse helfen, die MES wirtschaftlich lohnend zu machen. \u201eIch gehe davon aus, dass wir in den kommenden Jahren einen starken Aufschwung bei dieser Technologie erleben werden, wenn wir endlich auch die Biologie in den Fokus nehmen\u201c, so Rosenbaum. Das Biotechnikum arbeitet daran mit und kooperiert mit Verfahrenstechnikern, um gr\u00f6\u00dfere Reaktoren f\u00fcr die MES zu entwickeln.<\/p>\n\n\n\n

Die Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Schwerpunktprogramms eBiotech unterst\u00fctzt.<\/p>\n\n\n\n

Originalpublikation<\/h3>\n\n\n\n

Boto ST, Bardl B, Harnisch F, Rosenbaum MA (2023) Microbial electrosynthesis with Clostridium ljungdahlii<\/em> benefits from hydrogen electron mediation and permits a greater variety of products. Green Chemistry<\/em>, doi: 10.1039\/D3GC00471F<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Bei der mikrobiellen Elektrosynthese nutzen Mikroorganismen CO2 und Elektrizit\u00e4t, um zum Beispiel Alkohol zu produzieren. Wie dieser Prozess biologisch funktioniert, dar\u00fcber wurde bisher jedoch nur spekuliert. Forschende des Leibniz-Instituts f\u00fcr Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI) konnten nun erstmals experimentell best\u00e4tigen, dass Bakterien Elektronen aus Wasserstoff nutzen und mehr Chemikalien produzieren k\u00f6nnen als bisher bekannt. Mikrobielle Elektrosynthese ist […]<\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"none","nova_meta_subtitle":"Wie Bakterien mit Elektrizit\u00e4t und Kohlendioxid n\u00fctzliche Chemikalien produzieren k\u00f6nnen","footnotes":""},"categories":[5571],"tags":[13293,11954,11229,22275,17831,15528],"supplier":[1544,22274],"class_list":["post-128139","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-co2-based","tag-bakterien","tag-biochemie","tag-biotechnologie","tag-elektrosynthese","tag-mes","tag-mikroben","supplier-deutsche-forschungsgemeinschaft-dfg","supplier-leibniz-instituts-fur-naturstoff-forschung-und-infektionsbiologie-leibniz-hki"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/128139","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=128139"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/128139\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=128139"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=128139"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=128139"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=128139"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}