Mikrobielle Elektrosynthesen - ein integrierter Forschungsansatz zur Nutzung elektrischer Energie in zukünftigen mikrobiellen Produktionsprozessen

Die meisten industriellen Synthesen von Kraftstoffen und Chemikalien beruhen zurzeit auf der Nutzung fossiler Kohlenstoffquellen wie Öl, Gas und Kohle. Dass diese Vorräte endlich sind, ist lange bekannt. Daher werden zunehmend biotechnologische und chemische Verfahren auf Basis nachwachsender Rohstoffe untersucht. Bisher hat dies zumeist zu einer Nutzung von Rohstoffen, die auch als Nahrungsmittel von Bedeutung sind, wie beispielsweise Zucker und Stärke, geführt. Dies führt zu einer massiven Konkurrenz um Anbauflächen zwischen Rohstoff- und Nahrungsmittelherstellern. Ein Ausweg aus diesem „Tank-oder-Teller“-Dilemma können mikrobielle Elektrosynthesen sein. In mikrobiellen Elektrosynthesen werden Elektronen von einer Kathode auf Mikroorgansimen übertragen. Die Mikroorganismen nutzen die Elektronen für reduktive Synthesereaktionen (im optimalen Fall) auf Basis von CO₂, wobei die benötigte elektrische Energie aus regenerativen Quellen gewonnen werden sollte. Im Rahmen der ersten Forschungsförderung wurden hierzu zahlreiche und tiefgehende Erkenntnisse gesammelt, die im Folgeprojekt weiter untersucht werden sollen.

Ziel des weiterführenden Projektes ist die Weiterentwicklung mikrobieller Elektrosynthesen zur Produktion von Basischemikalien. Hierfür sollen die aus dem ersten Forschungsprojekt erarbeiteten Kenntnisse genutzt werden, um neue Produktionsrouten auf Basis von elektroaktive Organismen zu etablieren oder im Sinne der Produktionssteigerung eine Optimierung der Biofilmbildung dieser elektroaktiven Organismen zu bewirken. Des Weiteren ist es geplant, die mikrobielle Elektrosynthese durch diverse reaktionstechnische Optimierungen (wie die Nutzung neuartiger Reaktorkonzepte) noch effizienter zu gestalten.

Im Fokus des Projektes stehen drei Schlüsselthemen:

a) Erweiterung des Produktspektrum u.a. durch Stammentwicklung

In der Literatur sind zahlreiche Organismen beschrieben, die als Modellorgansimen für mikrobielle Elektrosynthesen in Frage kommen. Obwohl diese elektroaktiven Organismen sehr gut untersucht wurden, sind bisher nur wenige Stämme zur Produktion von industriell relevanten Chemikalien bekannt. Daher soll im Rahmen dieses Projektes das Produktspektrum von verschiedenen elektroaktiven Stämmen mittels metabolic engineering erweitert werden. Außerdem sollen weitere Organismen durch genetische Modifizierung zur Elektroaktivität befähigt werden, da sie aufgrund besonderer Eigenschaften wie H₂-Verstoffwechslung oder hohe Lösungsmittel-Toleranz vielversprechende Kandidaten für zukünftige bioelektrochemische Verfahren sind.

 b) Optimierung der Biofilmbildung mit entsprechendem Monitoring

Die zugrundeliegenden biologischen Mechanismen für die Elektronenaufnahme sind bisher wenig bekannt. Aufgrund dessen stellt die Untersuchung der Interaktion der Mikroorganismen mit der Kathode einen Forschungsschwerpunkt am DFI dar. Dazu werden einerseits die Biofilmbildung und die Zellimmobilisierung an der Kathode und verschiedene Techniken zur Biofilm-Stabilität untersucht.

 c) Reaktionstechnische Optimierung der mikrobiellen Elektrosynthesen

Für die Erweiterung der mikrobiellen Elektrosynthesen in Richtung eines photoelektrochemisches Produktionssystems soll die Wasserstofferzeugung mittels einer Photokatalyse und die Kultivierung von C. necator kombiniert und analysiert werden.  Weiterhin sollen Wirbelbettreaktoren untersucht werden.

Ziel dieses neuen interdisziplinären Forschungsfeldes der Mikrobiellen Elektrosynthesen ist die Produktion von Biokraftstoffen und Basischemikalien durch elektroaktive Mikroorganismen. Substrate für diese reduktiven Synthesereaktionen stellen dabei beispielsweise Kohlenstoffdioxid und die Elektronen-liefernde Kathode dar. Elektroaktive Mikroorganismen können dabei direkt mit der Kathode interagieren oder auf elektrochemisch an der Elektrode reduzierte Substanzen im Medium, wie Redoxmediatoren oder Wasserstoff, angewiesen sein. Die zugrundeliegenden biologischen Mechanismen für diese Reaktionen sind bisher wenig bekannt (1). Aufgrund dessen stellt die Untersuchung der Interaktion der Mikroorganismen mit der Kathode einen Forschungsschwerpunkt am DFI dar. Dazu werden einerseits die Biofilmbildung und die Zellimmobilisierung an der Kathode untersucht. Andererseits soll dieser direkte Elektronenaufnahmemechanismus hinsichtlich Produktionseffizienz mit den indirekten, vor allem Mediator-basierten Methoden verglichen werden. Um das Wachstum und die Produktion im bioelektrochemischen System zu optimieren liegt ein zweiter Schwerpunkt in der Verbesserung des Reaktordesigns. Neben  molekularbiologischen und mikrobiologischen Methoden kommen auch eine Vielzahl an elektrochemischen Methoden, wie zum Beispiel die Impedanzspektroskopie  oder die Cyclovoltammetrie zum Einsatz. Das Tandemprojekt wird durch Mitarbeiter der Arbeitsgruppen Bioverfahrenstechnik und Elektrochemie bearbeitet.

(1) Sydow, A., Krieg, T., Mayer, F. et al. Appl Microbiol Biotechnol (2014) 98: 8481