Ausnutzung des Metabolismus von Einzellern zur Stromerzeugung

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Das Funktionsprinzip galvanischer Zellen

Um elektrischen Strom zu generieren bedarf es zweier unterschiedlicher Potentiale, zwischen denen durch einen elektrischen Leiter ein Ausgleich in Form eines elektrischen Stroms herbeigeführt werden kann. Nachdem die dabei fließende Ladung sich nicht an einem Ende anhäufen darf, muss in der Gegenrichtung ein Fluss von entgegengesetzten Ladungen möglich sein. In einer galvanischen Zelle ist dieses Prinzip realisiert durch das Vorhandensein zweier Kammern, in denen sich chemische Lösungen befinden, die ein unterschiedliches Energiepotential repräsentieren. Über einen elektrischen Leiter können Elektronen aus einer Kammer in die andere fließen, während in umgekehrter Richtung Ionen, meistens Protonen über eine Membran diffundieren.

Potentiale kommen einerseits durch die Spannung zwischen unterschiedlichen Elementen (siehe Elektrochemische Spannungsreihe) und andererseits durch Unterschiede in der Konzentration der Elemente zustande (Nernst-Gleichung).

Die Spannung repräsentiert das Energiepotential der Zelle und lässt sich durch das Anbringen von jeweils einem eletrischen Leiter (Elektrode) pro Zelle abgreifen.

Ein Ionenfluss zwischen den Kammern wird etabliert, indem die Kammern über eine Membran oder Ionenbrücke miteinander verbunden werden, die eine Durchmischung der das Potential repräsentierenden Lösungen nicht zulässt, aber einen positiven Ionenstrom in Gegenrichtung des elektrischen ermöglicht.

220px-Galvanische_Zelle_2009-02-08.svg.png Bild: Wikimedia Commons

Metabolismus ist der intrazelluläre Ablauf von Redox-Reaktionen, die der Energiegewinnung dienen

Während des Glukose-Katabolismus in einer Zelle läuft zunächst im Zytoplasma die Glykolyse ab. Dabei wird formal Kohlenstoff oxidiert. Die gleichzeitig entstehenden Reduktionsäquivalente (NADH) werden an den Mitochondrien mithilfe von Sauerstoff wieder abgebaut. Dabei wird der Sauerstoff zu Wasser reduziert. Das Pyruvat aus der Glykolyse kann im Säurezyklus, der ebenfalls in den Mitochondrien stattfindet, weiter oxidiert werden, sodass letzendlich jedes Kohlenstoffatom der zugefütterten Glukose formal zu CO2 oxidiert wird. In der Summe wird nach Aufnahme von O2 und Glukose, unter Oxidation von Kohlenstoff und Reduktion von Sauerstoff, letztendlich CO2 freigesetzt.

Beide Vorgänge, die Oxidation des Kohlenstoff sowie die Reduktion des Sauerstoff, erzeugen unabhängig voneinander ATP, den Energietreibstoff der Zelle. Dies bedeutet grundsätzlich, dass Zellen die zu einem von beidem nicht fähig sind, aus energetischer Sicht trotzdem überleben könnten, vorausgesetzt der jeweils andere Teil des Metabolismus würde weiterhin stattfinden.

Hinzu kommt, dass die Vorgänge räumlich getrennt stattfinden. Insofern könnte man einen Eukaryoten also als galvanische Zelle modellieren, denn es gibt getrennte "Kammern", in denen die Vorgänge Oxidation und Reduktion stattfinden.

Idee

Meine Idee besteht darin, die Vorgänge Oxidation und Reduktion noch weiter räumlich zu trennen, nämlich in zwei getrennten Kammern in einer galvanischen Zelle unterzubringen.

Dabei soll in der einen Kammer Glukose zugeführt werden, die biologisch zu organischen Säuren fermentiert oder sogar im Säurezyklus vollständig zu CO2 umgesetzt wird. Die entstehenden Reduktionsäquivalente repräsentieren ein reduktives, elektrisches Potential, das über ein Hilfssubstrat, z.B. Eisen-Ionen im Medium, an einer Elektrode abgreifbar sein soll. Die Oxidation mithilfe von Sauerstoff soll unterbunden sein, weil sie entweder gar nicht vom Organismus betrieben wird (z.B. sauerstoff-nicht-nutzender Prokaryot), oder gentechnisch ausgeknockt ist, oder weil kein Sauerstoff vorhanden ist. Die Organismen müssen also irgendwie ihr reduktives Potential "loswerden" und dafür biete ich die Elektrode an.

In der anderen Kammer sollen eukaryotische Organismen unter guter Belüftung, d.h. Zufuhr von Sauerstoff (und ggf. Abdiffundieren von CO2), keine Kohlenstoffquelle erhalten. Sie sollen ihre gesamte Energie durch die Oxidation von NADH gewinnen, das in der anderen Kammer abfällt und über das obige Hilfssubstrat transportiert wird. Ggf. Diffundierende Kohlenstoffmetabolite sollen unnutzbar sein, u.U. wird es notwendig sein, Glykolyse und evtl. auch Säurezyklus auszuknocken.

Summa summarum werden die Organismen in der oxidierenden Kammer Elektronen freisetzen, und die Organismen in der reduzierenden Kammer Elektronen aufnehmen. Es sollte ein elektrischer Strom fließen.

Datei:biomass fuel cell.svg

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