Biobatterie nach Vorbild des Dünndarms liefert achtmal mehr Strom als flache Elektroden

Bakterien zerlegen organisches Material und setzen dabei Elektronen frei. Mikrobielle Brennstoffzellen fangen diese Elektronen an einer Anode ein und schicken sie über einen Stromkreis zur Kathode. Solange die Mikroben Nahrung bekommen, fließt Strom. Forscher:innen testen solche Biobatterien in Kläranlagen, für Umweltsensoren und für kleine Elektronik. Über Pilotanlagen kommen sie bisher kaum hinaus, weil ihre Leistung gering bleibt. Ein Team der Binghamton University im US-Bundesstaat New York hat nun im menschlichen Dünndarm ein Vorbild für bessere Elektroden gefunden.

Biofilme verstopfen poröse Elektroden

Flache Elektroden bieten Bakterien wenig Fläche zum Besiedeln. Poröse Materialien wie Papier, Stoff oder spezielle Polymere vergrößern die Oberfläche, haben aber einen Haken: Die wachsenden Mikroben bilden klebrige Biofilme, die die Poren nach und nach zusetzen. Nährstoffe erreichen die Zellen dann schlechter, Stoffwechselabfälle stauen sich, und die Bakterien wachsen ungleichmäßig.

Seokheun Choi, Leiter des Bioelectronics and Microsystems Lab, kennt das Problem aus zahlreichen eigenen Versuchen mit Papier, Textilien und Metall. Er suchte nach einer Elektrode, die wie lebendes Gewebe funktioniert: große Oberfläche, kurze Diffusionswege, guter Stofftransport, dazu flexibel, dehnbar und skalierbar.

Künstliche Zotten aus leitfähigem Hydrogel

Die Lösung lieferten die Darmzotten, fingerförmige Ausstülpungen der Darmwand. Millionen dieser Zotten vergrößern die Fläche für die Nährstoffaufnahme, während Flüssigkeit frei zwischen ihnen zirkuliert. Choi und seine Doktorand:innen Ruohan Zhang und Botian Wang formten ähnliche Säulen aus einem wasserspeichernden Hydrogel. Es besteht aus Polyvinylalkohol, dem leitfähigen Polymer PEDOT und reduziertem Graphenoxid.

Im Gel verteilten sie ruhende Sporen von Bacillus subtilis. Diese Bakterienart kann Elektronen nach außen abgeben. Sobald eine Nährlösung die Sporen erreicht, keimen sie aus und nehmen ihren Stoffwechsel auf. Die besiedelten Zotten bilden die Anode. Eine Ionenaustauschmembran trennt sie von einer Kathode aus modifiziertem Kohlenstoffgewebe. Die Nährlösung dient gleichzeitig als Elektrolyt.

Achtmal mehr Leistung pro Volumen

Das Team baute 24 Varianten mit unterschiedlicher Säulenhöhe und unterschiedlichem Radius. Die beste Konfiguration erreichte eine volumetrische Leistungsdichte von 66,45 Mikrowatt pro Kubikzentimeter. Eine flache Elektrode mit gleichem Volumen kam auf 8,04 Mikrowatt, das entspricht einem Faktor von 8,3. Der Vergleich bezieht sich auf das eigene Flachdesign der Gruppe, nicht auf alle bekannten Brennstoffzellen. Ein einzelner Finger lieferte bis zu 8,35 Mikrowatt. Bei kontinuierlicher Nährstoffzufuhr hielt das System mindestens 14 Stunden lang eine Spannung von etwa 0,75 Volt. Das reicht für kleine LEDs oder Mikrosensoren. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Small.

Strom aus dem Abwasserrohr

Choi sieht einen Einsatzort in Abwasserleitungen. Die flexiblen Hydrogel-Pflaster schmiegen sich an gekrümmte Rohrwände, und die Bakterien ernähren sich von den organischen Stoffen im Abwasser. Sensoren in der Leitung könnten so ihren eigenen Strom erzeugen. In einem simulierten Rohr mit abwasserähnlicher Nährlösung funktionierte das Konzept bereits.

Größere Pflaster oder zusammengeschaltete Zellen steigern die Leistung allerdings nicht automatisch im gleichen Maß, weil Nährstoffverteilung und Innenwiderstand mitspielen. Die Gruppe arbeitet deshalb an einem einstufigen Druckverfahren. Außerdem wollen die Forscher:innen neben der Form der Zotten auch die Schleimschicht nachbilden, in der Darmbakterien natürlicherweise leben.

via Binghamton University