Bacteriebatterij laat een fietslampje branden op suiker

Een nieuwe brandstofcel op basis van de bacterie Rhodoferax ferrireducens zet direct suikers efficiënt om in stroom. De bacterie oxideert onder zuurstofloze omstandigheden glucose tot koolstofdioxide, waarbij per molecuul glucose 24 elektronen vrijkomen. Microbiologen Swades Chaudhuri en Derek Lovley van de University of Massachusetts in Amherst ontdekten dat ruim tachtig procent van die elektronen zijn te `oogsten', als de bacterie in een vloeistofgevulde batterij met grafiet elektrodes kan groeien (Nature biotechnology, okt.).

Al sinds de jaren tachtig proberen microbiologen brandstofcellen te maken op basis van bacteriën. Maar tot nog toe was het resultaat bedroevend. De meeste eerder gebruikte bacteriesoorten breken de brandstof niet volledig af, of staan de vrijgekomen elektronen niet efficiënt af aan de elektrode. Als gevolg daarvan kwam de elektronenopbrengst niet hoger uit dan vijftig procent van het theoretisch haalbare.

De Amerikaanse microbiologen isoleerden Rhodoferax een jaar geleden uit het bodemsediment van Oyster Bay in de Amerikaanse staat Virginia, en beschreven hem als een nieuwe soort. De bacterie voorziet onder zuurstofloze omstandigheden in zijn energie door suikers te `verbranden' met behulp van driewaardig ijzer. De suikers worden daarbij volledig afgebroken tot koolzuurgas. Dat maakt de bacterie een ideale kandidaat voor de biobatterij.

Chaudhuri en Lovley beschrijven nu een eerste prototype van de Rhodoferax-energiebron. De bacteriën blijken zich te hechten aan de grafietelektrode van de anode. Met een weerstand van 1000 Ohm geschakeld tussen de plus- en minpool leverde de batterij 0,2 mA stroom bij een spanning van 265 mV. Dat is net genoeg om een fietslampje te laten branden, maar de onderzoekers verwachten dat de stroomopbrengst eenvoudig verder verbeterd kan worden door andere elektroden te gebruiken.

In plaats van staafjes grafiet experimenteerden zij ook met geweven grafietkoord en grafietschuim als elektroden. Die simpele verbetering leverde bijna drie keer meer stroom op (0,57 mA, 620 mV), te danken aan het feit dat zich meer bacteriën aan het oppervlak van de elektrode konden hechten.

Metalen brandstofcellen zijn weliswaar efficiënter in de stroomopwekking, maar hebben als nadeel dat zij alleen ethanol of waterstof als brandstof accepteren. Het is duur en technisch ingewikkeld om organisch materiaal om te zetten in ethanol of waterstofgas.

Rhodoferax is niet kieskeurig in wat hij als brandstof accepteert: behalve op glucose werkt de batterij even goed op andere suikers als sucrose, fructose en xylose. Die flexibiliteit belooft wat voor toekomstige toepassingen. De brandstof zou bijvoorbeeld geleverd kunnen worden door eenvoudige fermentatie van organisch afval. Een grasmaaimachine zou dan bijvoorbeeld kunnen werken op de suikers uit het gefermenteerde maaisel van de vorige week. Dat heeft al veel weg van de scène in de film `Back to the future' waarin Doc Brown bananenschillen, koffieprut en verschaald bier gebruikt als brandstof voor de tijdmachineauto.