Winzige Klimaretter Biologisch abbaubares Kabel: Mikroben leiten elektrischen Strom

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Electronema ist „Mikrobe des Jahres 2024“ – weil das Bakterium eine besondere Fähigkeit hat: Im Verbund können die erst vor zwölf Jahren entdeckten Kleinstlebewesen Strom über mehrere Zentimeter leiten. Forschende denken bereits an biologisch abbaubare Kabel. Damit nicht genug: Electronema könnte Klimaretter werden, da es Treibhausgase unschädlich macht.

Das Kabelbakterium Electronema ist „Mikrobe des Jahres 2024“. Zehntausende der winzigen Mikroorganismen können im Verbund bis zu fünf Zentimeter lange Ketten bilden, die auch Kabel genannt werden – und elektrischen Strom leiten können. „Diese sind durch stromleitende Proteinfasern in ihrer Zellhülle verbunden“, erklärt die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) in einer Pressemitteilung.

Erst vor zwölf Jahren haben Forschende am Grund von Meeren und Seen die erstaunlichen mikrobielle Ketten gefunden. Die Kabelbakterien stimulieren nach Angaben der VAAM den Schadstoffabbau und reduzieren die Bildung von Treibhausgasen. Eines Tages können sie möglicherweise als biologisch abbaubare Stromkabel genutzt werden, hoffen die Forschenden. Die VAAM ernennt mit Electronema erstmals eine Bakterienart zur Mikrobe des Jahres, für deren vollständige Beschreibung die Reinkultur noch fehlt.

Bislang ist noch keine Vermehrung im Labor gelungen

Kabelbakterien können zwar in der Natur nachgewiesen, aber noch nicht isoliert im Labor vermehrt werden. Ihr wichtigster Vertreter trägt daher den vorläufigen Namen Candidatus Electronema. Kabelbakterien bilden bis zu fünf Zentimeter lange Ketten aus Zehntausenden von Bakterienzellen. Diese sind durch stromleitende Proteinfasern in ihrer Zellhülle verbunden.

Ihre Kettenform ermöglicht dem mehrzelligen „Körper“ der Kabelbakterien eine einzigartige Arbeitsteilung: Während in unserem Körper jede einzelne Zelle „essen“ (Nahrung oxidieren) und „atmen“ (Sauerstoff reduzieren) muss, teilen Kabelbakterien diese lebenserhaltende Redoxreaktion auf. Tausende von Zellen jedes einzelnen Kabels leben im tieferen Teil des Sediments, wo es zwar reichlich Sulfid, aber keinen Sauerstoff gibt. Dieser ist jedoch Zentimeter entfernt an der Sedimentoberfläche vorhanden.

Die Kabelbakterien oxidieren das Sulfid zu Sulfat, indem sie die dabei anfallenden Elektronen über die stromleitenden Fasern auf den Sauerstoff am anderen Ende des Kabels übertragen. Dank ihrer zentimeterlangen Stromleiter können Kabelbakterien Elektronen vom Ort der Oxidation (im Sediment) zum Sauerstoff (an der Sedimentoberfläche) fließen lassen und damit als einzige Organismen das Sulfid in einer sauerstofffreien Zone verbrauchen: ein großer Vorteil gegenüber konkurrierenden Mikroorganismen.

Kabelbakterien reduzieren Schadstoffe und Treibhausgase

Kabelbakterien stimulieren auf diese Art mikrobielle Aktivitäten, die sonst nur mit Sauerstoff möglich sind – und bilden Populationen, die dort sonst nicht leben könnten. So finden sich Kabelbakterien häufig in Gewässern, die mit Kohlenwasserstoffen belastetet sind – etwa nach Benzin oder Ölkontamination.

Die Aktivität der Kabelbakterien kann den Schadstoffabbau laut VAAM erheblich ankurbeln: Sie steigern den Abbau aromatischer Kohlenwasserstoffe oder organischer Stoffe wie Faulschlamm in den Sedimenten überdüngter Seen. Es gibt bereits Ideen, Kabelbakterien gezielt zur Wiederaufarbeitung kontaminierter Standorte zu nutzen. Beispielsweise lässt sich die Wirkung der Kabelbakterien gezielt durch Elektroden im Sediment stimulieren.

Um 90 Prozent verringerte Methan-Emissionen

Kabelbakterien könnten auch helfen, Treibhausgase zu verringern. So entsteht in überfluteten Reisfeldern jährlich eine große Menge des klimaschädlichen Methans. Kabelbakterien leben im Wurzelbereich von Reispflanzen und können dort die Methanbildung verringern. Versuche im Gewächshaus zeigen, dass sich nach der Zugabe von Candidatus Electronema zum Boden die Methanemissionen um über 90 Prozent verringern.

Vermutlich zapfen die Bakterien die Sauerstoffversorgung der Reiswurzel an. So ermöglichen die Kabelbakterien ein ständiges Recycling von Sulfatim-Boden. Dies verhindert die Bildung von Methan. Es gilt nun herauszufinden, wie Kabelbakterien im Reisanbau oder etwa in Mooren gezielt stimuliert werden können, um den Methanausstoß zu verringern.

Biokabel statt Elektroschrott?

Die Stromleitung in den Proteinfasern der Kabelbakterien ähnelt der eines metallischen Kabels. Damit sind sie für eine auf Biomaterialien basierende Elektronik äußerst interessant. Weltweit wird nur ein Fünftel der jährlich über 50 Millionen Tonnen Elektroschrott recycelt. Biologisch abbaubare Stromleiter könnten einen wichtigen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit leisten.

Die leitfähigen Strukturen der Kabelbakterien wurden bereits patentiert, doch von einer kommerziellen Umsetzung ist die Entwicklung noch weit entfernt.

Anwendungen gibt es aber bereits: Die spanische Künstlerin Anna Pasco Bolta nutzt die elektrische Leitfähigkeit der Kabelbakterien bereits in ihren Projekten. Mit Electronema-Filamenten verbindet sie Mikrofon und Verstärker für ihre über Kabelbakterien gelesene Gedichte.

Mittlerweile sind zwölf Kabelbakterien-Arten beschrieben. Wie Candidatus Electronema können sie noch nicht als Reinkulturen im Labor vermehrt werden, aber dank genauer Genomdaten sind sie sehr gut charakterisiert. Vermutlich über 99 Prozent der Mikroben unserer Welt wurde noch nicht im Labor isoliert und beschrieben. Viele spannende Eigenschaften dieser unsichtbaren Lebenswelt bleiben uns daher bisher verborgen. (me)

Mit Informationen von VAAM, dpa

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