Bacteriën halen elektriciteit uit de zeebodem

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 teamleider 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 echt bacteriën voorkomen die elektriciteit maken. Door vervolgens te gaan pluizen in genetische archieven, weten we dat deze micro-organismen in allerhande habitats in de oceaan voorkomen, zoals in mangrove moerassen, de zeebodem onder visboerderijen en zelfs in hydrothermale bronnen in de diepe oceaan. Het toont aan dat er nog steeds echt nieuwe ontdekkingen kunnen plaatsvinden in de zeebodem, zelfs hier in de Noordzee."

Volgens Meysman is het een spectaculaire ontdekking, die mogelijk kansen biedt om geheel nieuwe bio-materialen te ontwikkelen. "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", zegt Meysman.

De elektrochemische batterij werd in 1800 uitgevonden door Alessandro Volta en wordt algemeen gezien als een sterk staaltje van menselijk vernuft. Uit het nieuwe onderzoek blijkt nu dat lange draadvormige bacteriën in de zeebodem dit kunstje reeds miljoenen jaren onder de knie hebben. Het maken van een natuurlijke batterij levert deze bacteriën een groot voordeel op in de competitie voor energierijke voedingsstoffen.

"De bacteriën zijn 100 keer dunner dan een haar, en vormen een langgerekte spaghettistreng van duizenden cellen die elektronen aan elkaar doorgeven", legt Meysman uit "Door elektriciteit te produceren halen ze op ingenieuze manier hun energie uit de zeebodem. Het onderste deel van de streng zit enkele centimeters diep begraven in de zeebodem, en haalt daar elektronen uit energierijke zwavelverbindingen. Vervolgens worden de elektronen van cel naar cel doorgegeven. Bovenaan worden de elektronen door andere cellen weer afgegeven aan zuurstof, dat slechts aanwezig in een heel dun laagje aan het oppervlak van de zeebodem. Het gevolg is dat er een elektrische stroom ontstaat in de zeebodem, van beneden naar boven. Het is de eerste keer dat een dergelijke biologische batterij in de natuur is aangetroffen."

Alle levende cellen hebben energie nodig, en hun energievoorziening gebeurt op een soortgelijke manier, van bacteriën tot olifanten. De regel is “ieder voor zich”, elke levende cel maakt zijn eigen energie. De nieuw ontdekte bacteriën zijn uniek omdat de verschillende cellen van de bacterie met elkaar samenwerken voor hun energievoorziening, waarbij verschillende cellen instaan voor een deel van de energievoorziening. “Dit mechanisme, waarbij bacteriën elektriciteit maken en elektronen transporteren over grote afstanden, slaat microbiologen met verbazing", vertelt Meysman verder. "Het verandert volledig ons beeld van hoe cellen kunnen samenwerken. Het is alsof je twee broers hebt, waarvan de ene alleen inademt en de andere alleen uitademt. Het toont aan hoe inventief biologische evolutie kan zijn.”

"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, zwavelverbindingen, en geeft die langs de streng door. In de bovenste bacterie van de streng worden de elektronen in een reactie met de zuurstof weer afgegeven."

De hamvraag is dan ook: hoe doen die bacteriën dat? Om daarnaar onderzoek te doen heeft Filip 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 wat de eventuele toepassingsmogelijkheden zijn?

"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", zegt Meysman. In het NIOZ-laboratorium brandt al een klein lampje helemaal op stroom die door de bacteriën geproduceerd wordt.

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 andere 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."

"De bacteriën zijn een prachtig voorbeeld van hoe ingenieus de evolutie werkt", zegt Meysman. "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 en gaan met hun volle tank de zeebodem in voor een reactie 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 dit sulfide uit de bodem zich vermengt met het bovenliggende water. 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."