Bakterien betreiben eigene Batterien

Arbeitsteilung bei Bakterien: Einige Bakterien nutzen Eisenminerale wie wiederaufladbare Batterien. Die spezialisierten Mikroorganismen können ihre Energie in winzigen magnetischen Nanopartikeln speichern, wie Forscher nun herausgefunden haben. Diese Energie können andere Bakterien bei Bedarf nutzen, erläutern die Forscher in der Fachzeitschrift „Science“.

Mikroorganismen haben die bemerkenswerte Fähigkeit, in fast jeder noch so unwirtlichen Umgebung leben und überleben zu können. Aus praktisch jedem Material gelingt es Spezialisten aus dieser Gruppe, Energie zu gewinnen – zum Beispiel aus Eisen. Bisher war bekannt, dass bestimmte Bakterien chemische Reaktionen mit Eisen in verschiedenen Formen als Energiequelle einsetzen können.

Eisenoxidierende Bakterien nutzen dabei lösliches, zweifach positives Eisen (Fe(II)) als Elektronenquelle: Sie entziehen dem Eisen Elektronen und „entladen“ es, so dass es dann in dreiwertiger Form (Fe(III)) vorliegt. Eisenreduzierende Bakterien dagegen reduzieren dreiwertige Eisen-Minerale und setzen sie so für die Energiegewinnung ein. Ob wechselnde Umweltbedingungen es den Bakterien mit diesen verschiedenen Stoffwechselwegen ermöglichen, Elektronen zu teilen, war bisher unklar.

Bakterien mit gegensätzlichen Stoffwechsel

Andreas Kappler der Universität Tübingen und seine Kollegen gingen dieser Frage auf den Grund. Die Forscher nutzten hierfür einerseits die eisenoxidierenden Bakterien Rhodopseudomonas palustris, die zudem phototroph sind, also Energie aus der Sonne gewinnen können. Die zweite Mikrobenart, die die Forscher untersuchten, waren die eisenreduzierenden Bakterien Geobacter sulfurreducens, denen die phototrophe Fähigkeit fehlt. Als Eisenform wählten die Geomikrobiologen das Mineral Magnetit, da dieses sowohl zweiwertiges als auch dreiwertiges Eisen enthält.

Im Laborversuch setzten die Forscher nun die eisenoxidierenden und –reduzierenden Bakterien dem Magnetit in ihrer Umgebung aus und simulierten im Wechsel Tag und Nacht. Mithilfe verschiedener Analysemethoden untersuchten sie dann, ob die Bakterien Elektronen auf das Eisen übertrugen oder entzogen, also ob es zu Reduktions- und Oxidationsvorgängen und somit zum Energiegewinn für die Mikroorganismen kam.

Magnetit als Batterie

Die Ergebnisse zeigten: Die Bakterien nutzten das Magnetit tatsächlich entweder als Energiequelle oder als Energiespeicher. Die gegensätzlichen Stoffwechselwege schaffen dabei erst die Bedingungen für die Energiegewinnung der andere Bakterienart: Unter Tageslicht entzogen die einen Bakterien Nanopartikeln aus Magnetit die nötigen Elektronen und entluden das Eisen so. Im Dunkeln wurden dann die Bakterien aktiv, die den umgekehrten Prozess beherrschen, und auf dem Magnetit die überzähligen Elektronen zurückließen.

Diesen Entladungs- und Ladungsmechanismus wiederholten die Bakterien über mehrere Runden – der Prozess funktionierte genauso wie bei einer aufladbaren Batterie. „Die Batterie war bei den Bakterien also immer wieder in diesen Tag-und-Nacht-Zyklen im Einsatz“, sagt Andreas Kappler. „Wir gehen davon aus, dass auch viele andere Bakterientypen, die man in der Umwelt findet, wie zum Beispiel vergärende Bakterien, die normalerweise Eisen nicht zur Energiegewinnung verwenden, Magnetit als Batterie verwenden können.“ (Science, 2015; doi: 10.1126/science.aaa4834)

(Eberhard Karls Universität Tübingen, 27.03.2015 – MAH)