Op de oceaanbodem vonden onderzoekers een wel heel bijzondere bacterie. Niet alleen wist hij elektriciteit op te wekken door methaan te eten, ook produceerde de bacterie minuscule eiwitdraden die de stroom kunnen geleiden.
Belangrijke reden waarom de temperatuur op aarde stijgt, zijn de grote hoeveelheden broeikasgassen zoals koolstofdioxide en methaan die vrijkomen in de atmosfeer. Er zijn niet genoeg planten en bomen om alle schadelijke koolstofverbindingen te verwerken en op te slaan, waardoor de aarde minder goed kan functioneren als ‘koolstofput’ en de temperatuur verder stijgt.
Gedempte koolstofputten
“Een koolstofput is een bos, oceaan of andere natuurlijke omgeving die koolstofdioxide (CO2) absorbeert uit de atmosfeer en vasthoudt in de vorm van bijvoorbeeld hout. Zo houdt een koolstofput meer koolstofhoudende verbindingen vast dan dat hij uitstoot. Door de stijgende temperaturen op aarde groeien bodemmicroben sneller en produceren ze meer CO2 dan normaal. Landplanten gebruiken CO2 voor de fotosynthese, maar kunnen dit tempo niet bijhouden. Op deze manier zorgt door de mens veroorzaakte klimaatopwarming ervoor dat er steeds meer CO2 vrijkomt uit de aardbodem”, zegt wetenschapper Nikhil S. Malvankar van Yale University in gesprek met Scientias.nl.
Microbisch buikje vol
Een mogelijke oplossing voor deze vicieuze cirkel zou een ander soort microben kunnen zijn die geen broeikasgas produceert, maar zijn microbische buikje juist vult door methaangas op te eten. “Sommige methaanetende microben uit oceaansedimenten produceren elektriciteit, maar hoe dit proces exact in zijn werk gaat, is niet bekend. Ze zijn erg moeilijk te bestuderen in het laboratorium, dus kozen we Geobacter-bacteriën om als model te fungeren. Zij produceren microscopisch kleine eiwitdraden die vergelijkbaar zijn met die van methaanetende microben”, legt Malvankar uit. Zijn team van Yale deed onderzoek naar de verrassende eigenschappen van de elektriciteit en nanodraden producerende bacteriën, die veel lijken op de methaanetende microben uit de zeebodem.
Natuurlijke nanodraden
Het team toonde eerder al aan dat de eiwitdraden extreem goed geleiden. Er is geen beter voorbeeld bekend in de natuur. Maar hoe ze worden gemaakt, waaruit ze precies zijn opgebouwd en waarom ze zo geleidend zijn, was tot op heden onbekend. “Deze nanodraden geleiden elektriciteit zo goed vanwege de unieke opstelling van metaalhoudende moleculen, heemverbindingen genoemd, die in een rechte lijn staan en zo een strakke keten creëren waarlangs elektronen reizen. Dit was verbluffend om te zien, nooit eerder was dit proces waargenomen of was iemand zelfs maar op het idee gekomen dat dit kon gebeuren. Deze nanodraden zijn ultrastabiel vanwege hun negatieve oppervlaktelading en het vermogen om netwerken te vormen. Deze verbindingen zorgen ervoor dat eiwitafbrekende stoffen geen kans krijgen om het oppervlak van de nanodraad aan te tasten, want die zijn vaak ook negatief geladen en worden dus afgestoten”, vertelt Malvankar.
Knettergoed geleidende eiwitketens
“Deze eiwittenketens zijn voor zover bekend het enige dat Geobacter nodig heeft om afval om te zetten in elektriciteit. Bovendien kunnen sommige soorten nanodraden elektriciteit opwekken via de luchtvochtigheid in de omgeving. Deze manier van het opwekken van energie is effectief en werkt maandenlang. Er zijn grote voordelen vergeleken met zonne- en windenergie wat betreft de locatie en omgevingsrisico’s van de energieopwekking.”
Veel Geobacter
Er is nog veel onderzoek nodig om deze kennis ook daadwerkelijk in te kunnen zetten om het klimaatprobleem aan te pakken, maar de techniek heeft enorm veel potentie. Malvankar is al in staat gebleken om synthetische nanodraden te bouwen door de bacteriën te manipuleren. “Het blijft een mysterie hoe het mogelijk is dat microben zowel de grootste producenten als consumenten van methaangas zijn. Naast methaanetende microben die eiwitten produceren die lijken op Geobacter-nanodraden, zijn er ook veel methaanuitstotende microben die met Geobacter samenwerken en elektriciteit doorgeven via de nanodraden. In theorie moet het dus mogelijk zijn om de methaanproductie af te remmen en het verbruik te bevorderen door de energiestroom in deze nanodraden beter te begrijpen, beheersen en manipuleren”, aldus een enthousiaste Malvankar.
Prachtige processen
Zijn team gaat vol goede moed verder inzoomen op de Petri-schaaltjes om de trucs van de fascinerende microbenfamilie af te kijken en hopelijk in de toekomst in de praktijk te brengen. “De eerste stap is om het stroomproces in nanodraden volledig te beheersen. We moeten dan onder andere uitzoeken hoe het kan dat elektronen zo snel en efficiënt bewegen door deze eiwitketens. Het is daarnaast belangrijk om te begrijpen welke soorten nanodraden deze microben produceren en hoe we deze prachtige biofysische processen uiteindelijk in kunnen zetten om klimaatverandering tegen te gaan of om op een schone manier elektriciteit op te wekken”, besluit Malvankar.
