Findige Idee: Bestimmte Bakterien können aus unserem Abwasser einen wahren Schatz gewinnen. Experimente zeigen, dass die Mikroben organische Bestandteile aus dieser Brühe zu Wasserstoff verstoffwechseln – und damit wertvolle Energie liefern. Die Ausbeute hängt dabei allerdings entscheidend von den im Schmutzwasser vorhandenen Nährstoffen ab, wie die Forscher herausfanden.
Ob beim Spülen, Duschen oder dem Toilettengang: Tagtäglich produzieren wir unzählige Liter Abwasser. Diese Brühe aus Shampoo, Fäkalien und Co muss in Kläranlagen aufwendig aufbereitet werden. Sie kann dort aber auch nützlichen Zwecken dienen: Wissenschaftler forschen seit einigen Jahren beispielsweise daran, aus den organischen Stoffen im Abwasser Energie zu gewinnen – mithilfe von Bakterien.
Ioanna Vasiliadou von der Universidad Rey Juan Carlos in Madrid und ihre Kollegen haben sich in diesem Zusammenhang nun dem Potenzial von sogenannten Purpurbakterien gewidmet. Diese Mikroben betreiben Fotosynthese und nutzen für diesen Prozess unter anderem organische Moleküle und Stickstoff. Dabei entstehen unterschiedliche Nebenprodukte – eines davon ist Wasserstoff. Das Interessante daran: Wasserstoff eignet sich zur Stromgewinnung und kommt unter anderem in der Brennstoffzellen-Technologie zum Einsatz.
Apfelsäure und Natriumglutamat
Wie viel Wasserstoff die Bakterien produzieren, hängt von diversen Faktoren wie der Lichtintensität, der Temperatur und den verfügbaren Nährstoffen ab. Doch wann ist die Wasserstoffausbeute am größten? Um dies herauszufinden, führte das Forscherteam Experimente mit einem Mix aus unterschiedlichen Bakterienarten durch.
Dabei zeichnete sich ab: Die Effektivität der Wasserstoffproduktion variierte je nach den nährstoffreichen Verbindungen im Abwasser stark. Die besten Ergebnisse erzielte die Mikrobengemeinschaft demnach mit Apfelsäure und Natriumglutamat. „Dies zeigt, dass Purpurbakterien wertvollen Biotreibstoff aus organischen Stoffen gewinnen können, die typischerweise in unserem Abwasser vorhanden sind“, konstatiert Mitautor Abraham Esteve-Núñez von der Universität Alcalá.
Zusätzliche Elektronen
Um die Produktivität der Bakterien weiter zu verbessern, setzten die Wissenschaftler anschließend Elektroden ein. Die Idee dahinter: Sämtliche Stoffwechselwege der Mikroben haben eine gemeinsame Währung – die Elektronen. Diese geladenen Teilchen werden im Prozess der Fotosynthese übertragen, aufgenommen und freigesetzt. Stellt man durch einen fließenden Strom nun zusätzliche Elektronen zur Verfügung, kann das den Stoffwechsel der Bakterien beeinflussen.
Im Test zeigte sich, dass die Bakterien tatsächlich die Elektronen von einer negativ geladenen Metallelektrode für ihren Stoffwechsel nutzten. „Wir konnten deutlich Interaktionen zwischen den Elektroden und den Purpurbakterien nachweisen: Eine negative Polarisierung der Elektrode führte zu einem messbaren Elektronenverbrauch“, berichtet Esteve-Núñez.
Ausbeute verbessern?
Allerdings: Offenbar nutzten die Mikroben diese Elektronen nicht, um mehr Wasserstoff zu produzieren. „Wir stellten stattdessen fest, dass sie mehr Kohlenstoff aus den organischen Bestandteilen fixierten und als Folge weniger davon in Form von Kohlendioxid freigesetzt wurde“, so der Forscher weiter.
Weitere Untersuchungen müssen nun zeigen, mit welchen Parametern auch eine erhöhte Wasserstoffproduktion möglich ist. „An dieser Frage werden wir in den kommenden Jahren arbeiten und dann hoffentlich die Machbarkeit unseres Ansatzes der bioelektrochemischen Stimulation von Purpurbakterien demonstrieren“, sagt Vasiliadous Kollege Daniel Pyuol. „Die Produktion von Wasserstoff aus Abwasser ist noch ein neues und in vielen Teilen unerforschtes Feld“, schließt das Team. (Frontiers in Energy Research, 2018; doi: 10.3389/fenrg.2018.00107)
(Frontiers, 14.11.2018 – DAL)
