Applikationen von verkapselten Bakterien

1.3.1 Rückgewinnung anorganischer Substanzen und deren katalytische Aktivität

Die Rückgewinnung von anorganischen Werkstoffen ist heutzutage von entscheidender Bedeutung. Industrielle Werkstoffe wie Farben, Füllstoffe oder elektronische Bauteile benötigen Metalle, die auf der Erde nur in geringen Mengen zur Verfügung stehen. Bei der Herstellung und der Entsorgung dieser Bauteile werden diese Substanzen wieder freigesetzt und sind in Abwässern oder Klärschlamm aufzufinden.^111–114 Zu diesen Substanzen gehören vor allem Edelmetalle wie Gold, Palladium und Platin.^115–118 Leitfähige Platinen der

21 Elektroindustrie bestehen aus Silber-, Nickel- oder Kupferverbindungen, die der Umwelt als toxische Gifte schaden.^119,120 Nukleare Elemente wie Strontium, Thorium oder Uran werden häufig in Atomkraftwerken verwendet, die anschließend aufgearbeitet werden müssen. Gängige Rückgewinnungsmethoden sind die chemische Fällung, Adsorption oder Membranprozesse.^121–126 Diese Rückgewinnung anorganischer Werkstoffe kann durch Mikroorganismen, wie Bakterien, Hefen, Pilzen, Algen oder Viren erfolgen, welche schon in der Industrie, vor allem in der Biotechnologie, erforscht und auch eingesetzt werden. Im Gegensatz zur chemischen Rückgewinnung, ist die Verwendung von Mikroorganismen eine umweltfreundliche Technologie. Dabei werden die gelösten Metallionen durch den Mikroorganismus aufgenommen (Biosorption) oder an der Oberfläche akkumuliert (Bioakkumulation). Meist werden die Metallionen zu Metallpartikeln synthetisiert. AuNP werden durch verschiedene Bakterien, Bacillus subtilis,¹²⁷ E.coli,¹²⁸ Marinobacter Pelagius sp.,¹²⁹ Geobacillus sp.¹³⁰ oder M.luteus.¹³¹ Silbernanopartikel (AgNP) werden unter anderem durch Lactobacillus sp.,¹³² Bacillus indicus,¹³³ Enterobacter cloacae¹³⁴ oder Pseudonomas fluorecens¹³⁵ biologisch synthetisiert. Weitere Nanopartikel, wie Palladium werden durch Desulfovibrio desulfuricans¹³⁶ oder CdS durch Rhodobacter sphaeroides¹³⁷ hergestellt. Bisher wurde hauptsächlich die antimikrobielle Aktivität dieser Nanopartikel untersucht. AuNP, welche durch Hibiscus cannabinus Stengelextrakt hergestellt wurden, zeigen eine antimikrobielle Aktivität gegenüber Pseudomonas aeruginosa und Staphylococcus aureus.¹³⁸ Annamalai et al. untersuchten die antimikrobielle Aktivität von AuNP, gegenüber Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa und Klebsiella pneumonia, die durch einen Blattextrakt von Euphorbia hirta synthetisiert wurden.¹³⁹ Biosynthetisierte AuNP durch Abelmoschus esculentus Extrakt wiesen eine antimikrobielle Aktivität gegen Puccinia graminis trici, Aspergillus niger, Aspergillus flavus und Candida albicans auf.¹⁴⁰ Die katalytische Aktivität, der durch Mikroorganismen hergestellten Nanopartikel, wurde bislang nur durch wenige Arbeiten nachgewiesen. Lim et al. untersuchten die Reduktion von Nitrophenol zu 4-Aminophenol durch Artemisia capillaris Wasserextrakt hergestellte AuNP.¹⁴¹ Silbernanopartikel (AgNP) synthetisiert durch Gmelina arborea zeigten eine katalytische Reduktion des Farbstoffes Methylenblau.¹⁴²

Immobilisierte Mikroorganismen in Trägermaterialien haben den Vorteil gegenüber freien Mikroorganismen, dass diese mehrmals eingesetzt werden können. Weitere Vorteile sind der Schutz der Bakterien gegenüber äußeren Einflüssen, wie Temperatur, pH-Wert, UV-Strahlung, Lösungsmittel, usw. Daher wurden Mikroorganismen in hydrophilen Polymerfasern immobilisiert und mit einer hydrophoben Polymerschicht ausgestattet. Nardi et al.

22 immobilisierten Corynebacterium glutamicum (C.glutamicum) in PVDF-HFP-Mikroröhren und wiesen einen Phenolabbau in einem Bioreaktor nach.⁵¹ Knierim et al. immobilisierten M.luteus und Nitrobacter winogradskyi (N.winogradskyi) in PVA-Mikrofasern und beschichteten diese mit PPX. Die Lebensfähigkeit konnte durch fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen nachgewiesen werden. Mit diesen wasserstabilen Fasern konnten durch die Immobilisierung von M.luteus Au-Ionen aus einer pH 3 sauren Lösung sorbiert werden und durch eine elektronenmikroskopische Aufnahme AuNP in den Mikrofasern nachgewiesen werden. N.winogradskyi war in der Lage in den immobilisierten Mikrofasern Nitrit zu reduzieren.¹⁴³ Letnik et al. immobiliserten durch Coaxialelektrospinnen Candida tropicalis und Saccharomyces cerevisia in PVP-Nanofasern stabilisiert mit PVDF-HFP. Sie wiesen einen Phenolabbau und Herstellung von Ethanol aus Olivenölabwasser nach.¹⁴⁴ M.luteus wurde durch Letnik et al. in dem gleichen Fasersystem immobilisiert. Hier konnte eine Biosorption von Kupfer nachgewiesen werden.¹⁴⁵

1.3.2 Mikrobielle Brennstoffzelle

Mikroorgansimen sind in der Lage elektrischen Strom herzustellen, indem sie Nährstoffe wie Acetat, Glucose, Pyruvat, Formiat usw. verstoffwechseln. Porter ist es 1911 gelungen Bakterien und Hefen für die Stromproduktion zu identifizieren.¹⁴⁶ Diese Bakterien waren in der Lage durch die Verwendung von Pflanzenresten Strom zu generieren. Die Stromausbeute war jedoch so gering, dass dieser Ansatz der umweltschonenden Stromproduktion kaum verfolgt wurde.

1962 gelang Yarbough und Davis die Beschreibung der Funktionsweise einer mikrobiellen Brennstoffzelle. Durch diese Beschreibung der Funktionsweise war der Grundstein für die Entwicklung neuer mikrobiellen Brennstoffzellen gelegt.

Die mikrobielle Brennstoffzelle ist ähnlich aufgebaut, wie eine handelsübliche Wasserstoff-Brennstoffzelle und besteht aus drei wesentlichen Bestandteilen. Zu nennen sind hier die biologische Zelle (Anodenseite), die chemische Zelle (Kationenseite) und die kationenselektive Membran (Abbildung 1.8).

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Abbildung 1.8: Schematische Darstellung einer mikrobiellen Brennstoffzelle. Verändert aus Referenz ¹⁴⁷, mit Genehmigung..Copyright (2018) American Chemical Society.

Die biologische Zelle besteht aus einer Anode, dem entsprechenden Mikroorganismus und Substraten. Die Substrate müssen durch die Bakterien biologisch abbaubar sein. Als Substrate kommen hier nicht nur Acetat, Glucose, Ethanol, Formiat oder Pyruvat zum Einsatz,^147–151 bekannt sind ebenfalls hochkomplexe Industrieabwässer oder Abwässer aus normalen Haushalten.^152,153 Als Anode wird meist Kohlenstoff als kostengünstiges, nicht biologisch abbaubares und biokompatibles Material eingesetzt. Kohlenstoff wird hier in verschiedenen Ausführung als Anodenmaterial bereitgestellt, unter anderem als Stäbchen, Platten, Vliese, Schwämme, usw.^153–160 Jedoch ist die Leitfähigkeit, durch die Verwendung von Kohlenstoff, nachteilig gegenüber Metallen, wie Gold, Kupfer oder Silber. ^161–164

Damit eine Stromproduktion erfolgen bzw. ein messbarer Strom gemessen werden kann, muss die Anhaftung der Bakterien auf der Anodenoberfläche stattfinden bzw. eine räumliche Nähe zwischen Bakterium und Anodenoberfläche gewährleistet werden. Dies erfolgt meist durch die Ausbildung eines Biofilms an der Anodenoberfläche. Bekannte Bakterien, die einen solchen Biofilm auf Anodenoberflächen bilden, sind unter anderem Bakterienarten, wie Geobacter, Escherichia, Ochrobactrum, Rhodopseudomonas oder Shewanella.^165–169 Diese können ihre produzierten Elektronen direkt an die Anodenoberfläche abgeben. Redoxmediatoren sind bei den Bakterienarten Saccharomyces und Pseudomonas für den Elektronentransport zur Anodenoberfläche verantwortlich.^170,171 Bisher war nur das Aufwachsen eines Biofilmes auf

24 die Anodenoberfläche bekannt. Deshalb wurde in dieser Arbeit ein Anodenmaterial entwickelt, bei dem die Mikroorganismen (S.oneidensis MR-1) in dem Anodenmaterial immobilisiert sind.¹⁷²