Bakterien bringen Eisen zum Rosten

Mikroben als Täter: Wenn Eisen rostet, dann ist nicht immer die simple Oxidation durch Sauerstoff und Wasser schuld – auch bakterielle Biofilme können Korrosion verursachen. Wie dies genau funktioniert, haben nun Forschende am Fall des „eisenfressenden Bakteriums Geobacter aufgeklärt. Demnach spielen bei dieser Elektrobiokorrosion die elektrisch leitenden Proteinfäden der Mikrobe und eine positive Rückkopplung des Abbauprodukts Magnetit eine entscheidende Rolle.

Bakterielle Biofilme sind nicht nur in der Medizin gefürchtete Gegner, sie tragen auch zur Korrosion von Metallen bei. Im Extremfall kann dieser Metallfraß ganze Rohrleitungen zerstören. Einer der Täter bei diesem Zerstörungswerk sind Bakterien der Gattung Geobacter. Sie benötigen keinen Sauerstoff, sondern beziehen ihre Energie aus Elektronen, die sie dem metallischen Eisen entziehen. Dies fördert chemische Reaktionen, bei denen unter anderem das Eisenmineral Magnetit entsteht.

Geobacters Leitungsnetze im Verdacht

Wie die bakterielle Eisenkorrosion jedoch genau funktioniert, war unklar. Deshalb haben dies nun Forschende um Dake Xu von der Northeastern University in Shenyang untersucht. Ihr Verdacht: Geobacter nutzt seine langen, vernetzten Proteinfäden, um dem Eisen die Elektronen abzuziehen. Von diesen E-Pili war schon früher bekannt, dass sie wie biologische Kabel Strom zwischen den Bakterien leiten können. Bislang war jedoch nicht klar, ob sie auch Elektronen direkt aus Metalloberflächen abziehen können.

Um dies zu überprüfen, machten die Forschenden einen Vergleichstest: Sie ließen zwei Stämme des „eisenfressenden“ Bakteriums Geobacter sulfurreducens auf einer Edelstahloberfläche zu Biofilmen heranwachsen. Einer der beiden Stämme bildete wie üblich leitende E-Pili aus, der andere war jedoch genetisch manipuliert, so dass er nur Fäden aus weniger gut leitenden Proteinen herstellen konnte.

Direkter „Stromanschluss“ ans Metall

Das Ergebnis: Der Geobacter-Stamm mit leitfähigen Proteinfäden gedieh auf der Stahlplatte deutlich besser. Er vermehrte sich schneller und fraß tiefere Löcher ins Metall. In dieser Bakterienkolonie konnten Xu und sein Team zudem direkt messen, dass ein Strom vom Metall durch die Proteinfäden zu den Bakterien floss. Dieser Korrosionsstrom zeigte die Oxidation des Eisens an. Im Biofilm der genmanipulierten Bakterien mit den weniger leitfähigen Pili war das Wachstum dagegen langsamer und auch die Korrosion geringer.

Das Team zieht daraus den Schluss, dass die Bakterien mit den E-Pili eine Art direkten „Stromanschluss“ an das Metall aufbauen. Die Proteinfäden ermöglichen es dann auch den Bakterien, sich mit Elektronen versorgen, die weiter außen im Biofilm sitzen und keinen direkten Kontakt zum Metall haben.

Magnetit im Teufelskreis

Und noch ein Faktor spielt offenbar eine Rolle: das bei der bakteriellen Korrosion von Eisen gebildete Mineral Magnetit. In einer Art positiver Rückkopplung heizt seine Präsenz die korrosive Tätigkeit der Mikroben noch weiter an, wie Experimente ergaben. Als die Forschenden ihre Geobacter-Biofilme mit zusätzlichem Magnetit versorgten, verstärkte dies das Wachstum der Bakterienkolonie. Gleichzeitig war auch ein stärkerer Korrosionsstrom an der Metalloberfläche messbar.

„Die Tatsache, dass Magnetit ein typisches Produkt der Eisenkorrosion ist, spricht für eine positive Rückkopplungsschleife, bei der das während der Korrosion gebildete Magnetit die Elektrobiokorrosion weiter beschleunigt“, sagen Xu und seine Kollegen. „Das hat erhebliche Auswirkungen auf den Korrosionsschutz.“ Sie empfehlen daher, für korrosionsfreie Materialien besonders deren Fähigkeit zur Magnetitbildung im Auge zu haben. (Angewandte Chemie, 2023; doi: 10.1002/ange.202309005)

Quelle: Angewandte Chemie