Biobatterijen in zeebodem

Case

Biobatterijen in zeebodem

Bacteriën die elektriciteit maken: de heilige graal van materiaalkunde

In de bodem van de zee zitten bacteriën die elektriciteit produceren en over lange afstand geleiden. Het is een spectaculaire ontdekking. Hoe doen ze het en in welke omstandigheden? Het onderzoeksteam van NIOZ-onderzoeker Filip Meysman ontving een beurs van de European Research Council om op deze vragen een antwoord te vinden. De kans is groot dat dit onderzoek leidt tot nieuwe toepassingen voor bio-elektrische systemen.

In 2010 ontdekten Deense onderzoekers iets wat zo bijzonder was dat niemand hen geloofde. In een laboratoriumexperiment met zeebodemmonsters vonden ze bacteriën die elektriciteit maken en over een lange afstand geleiden. ‘Ook ik geloofde de Denen niet,’ vertelt Filip Meysman. ‘Totdat we het proces ook in ons eigen laboratorium detecteerden, in experimenten die eigenlijk voor een ander doel waren opgezet. Daarna gingen we gericht op zoek in de Noordzee en het Deltagebied en we ontdekten dat er op de zeebodem écht bacteriën voorkomen die elektriciteit maken.’

Het is een spectaculaire ontdekking, die mogelijk kansen biedt om geheel nieuwe bio-materialen te ontwikkelen. Meysman: ‘Het efficiënt geleiden van elektriciteit in organische materialen is de heilige graal van de materiaalkunde. Er wordt veel onderzoek naar gedaan, onder meer om lichte en flexibele zonnecellen te kunnen maken. Nu blijkt dat een bacterie dat trucje al uitgevonden heeft.’

Alsof van twee broers de ene alleen inademt en de andere alleen uitademt
- Filip Meysman

Unieke levensvorm

‘Wat deze bacteriën doen, is uniek voor al het leven,’ gaat Meysman verder. ‘Alle levende cellen hebben energie nodig, en hun energievoorziening gebeurt op een soortgelijke manier, van bacteriën tot olifanten. Een cel heeft een stof nodig waar hij elektronen van kan afhalen en een stof waaraan hij elektronen kan teruggeven. Een spiercel in ons lichaam bijvoorbeeld haalt elektronen uit suikers en geeft elektronen af aan zuurstof. Zo’n reactie met een elektronendonor en een elektronenacceptor heet in de scheikunde een redoxreactie. Uit redoxreacties halen alle levende cellen hun energie.’

De nieuw ontdekte bacteriën zijn speciaal omdat ze een redoxreactie in twee splitsen en gespecialiseerde cellen maar een half deel van de reactie uitvoeren. Het is alsof je twee broers hebt, waarvan de ene alleen inademt en de andere alleen uitademt. Cellen aan het ene uiteinde van de bacterie voeren de ene helft van de redoxreactie uit: elektronen worden afgehaald van de elektrondonor. Deze electronen worden vervolgens doorgestuurd via een geleidende kabel naar een collega-cel aan het andere uiteinde van de bacterie. Die neemt de elektronen over en levert ze in de andere helft van de reactie over aan de elektronenacceptor. Door deze gesofisticeerde vorm van samenwerking tussen cellen doet de bacterie haar voordeel.

Batterij

Het opsplitsen van de redoxreactie over twee verschillende plaatsen is precies wat er in batterijen en accu’s gebeurt. ‘Volta heeft de elektrische batterij in 1800 uitgevonden. Nu blijkt dat bacteriën het miljoenen jaren geleden al ontdekt hebben en gebruiken om hun overlevingskansen op de zeebodem te vergroten.’

Terwijl menselijke spiercellen suiker en zuurstof gebruiken voor hun redoxreactie, halen deze bacteriën op de zeebodem hun energie uit een redoxreactie met zuurstof en sulfide. De zuurstof is aanwezig in een heel dun laagje aan het oppervlak van de zeebodem. De sulfide zit dieper in de bodem. ‘De bacteriën vormen een soort spaghettistrengen in de zeebodem van twintig- tot vijftigduizend bacteriën die elektronen aan elkaar doorgeven. De staart zit enkele centimeters diep in de bodem, haalt daar elektronen af van sulfiden en geeft die langs de streng door. In de cellen aan het hoofdeinde van de lange bacterie worden de elektronen in een reactie met de zuurstof weer afgegeven.

‘De stroom door de bacteriestreng gaat één kant op, van beneden naar boven. Om het elektrische ladingsverschil te compenseren gaat er ook een stroom van positieve ionen naar boven. Dit is ook wat er in een batterij gebeurt, daar gebeurt het ionentransport met een zoutbrug. Het is dus een volledige biologische batterij in de zeebodem.’

Hamvraag

De hamvraag is dan ook: hoe doet deze elektriciteitsproducerende bacterie dat?? Om daarnaar onderzoek te doen heeft Meysman in 2012 een beurs van 1,5 miljoen euro gekregen van de European Research Council, voor vijf jaar onderzoek. Een andere vraag is hoe belangrijk deze nieuwe bacteriën zijn voor natuurlijke kustecosystemen. En natuurlijk: wat zijn de toepassingsmogelijkheden? Meysman: ‘Tot nu toe helpen bacteriën in experimentele biobrandstofcellen alleen als katalysator, maar verder werken de brandstofcellen nog als traditionele batterijen. Bij onze bacteriën in de zeebodem is dat anders: die vormen zelf de complete batterij. Als we beter begrijpen hoe dat werkt, vinden we ongetwijfeld toepassingen voor bio-elektrische systemen.’ In het NIOZ-laboratorium brandt al een klein lampje helemaal op stroom die door de bacteriën geproduceerd wordt.

Kweken

Voordat moleculair onderzoek kan plaatsvinden naar de manier waarop de bacteriën elektriciteit produceren en geleiden, moet eerst de juiste kweekmethode gevonden worden. ‘Tot nu kunnen we de bacteriën in het lab alleen kweken in natuurlijke zeebodemmonsters, maar daar zitten ook duizenden anderen bacteriën in. Voor moleculair onderzoek naar de interne structuur van de bacteriën moeten we ze veel zuiverder kweken. Dat is één van de grote uitdagingen.’

Evolutie

Er is ook een fundamentele onderzoekslijn. ‘De bacteriën zijn een prachtig voorbeeld van hoe ingenieus de evolutie werkt. Boven is zuurstof, beneden sulfide. Bacteriën moeten dus een brug zien te vormen tussen die twee. Er zijn bacteriën die een andere oplossing hebben gevonden: een soort tanksysteem. Zij tanken bovenaan de zeebodem nitraat als elektronenacceptor en gaan met hun volle tank de zeebodem in voor een redoxreactie met het sulfide. Als de tank leeg is, gaan ze weer terug naar boven. De evolutie heeft dus verschillende manieren opgeleverd en die komen naast elkaar voor op dezelfde plekken. Maar wanneer is de ene het gunstigst en wanneer een andere, en waarom? Dat willen we begrijpen.’

‘Het fundamentele onderzoek heeft overigens ook een belangrijk toegepast aspect. We doen het onderzoek in de Grevelingen. In de zomer zijn daar problemen met de waterkwaliteit als gevolg van zuurstofloosheid. De bacteriën die we onderzoeken zorgen ervoor dat sulfide diep in de zeebodem wordt weggevangen, zodat de kans kleiner is deze sulfide uit de bodem naar het bovenliggende water diffundeert. Sulfide is zeer toxisch voor het bodemleven en tast de oesterculturen in de Grevelingen aan. Bovendien veroorzaakt het zwavelstank, erg hinderlijk in een gebied met veel watertoerisme. Ook daarom is het belangrijk dat we beter begrijpen hoe deze bacteriën zich ontwikkelen.’

SedimentSediment uit de zeebodem onder een optische microscoop. De wirwar van lange witte draden zijn bacteriën die in staat zijn electriciteit te genereren en te geleiden. (Copyright: Sairah Malkin, NIOZ).

ElektrodenDe nieuw ontdekte bacteriën bieden perspectief voor de ontwikkeling van nieuwe bio-elektrische systemen. Wanneer elektroden in het sediment worden geplaatst, gaat er een rood LED lampje knipperen. Dit betekent dat het sediment elektriciteit opwekt en als een microbiële brandstofcel werkt. (Copyright: Sarah Engelhard, NIOZ)