Candidatus Electronema

3. März

Stromleitende Kabelbakterien

Knapp unter einer Millionen Tonnen Elektroschrott fielen in Deutschland laut Statista allein im Jahre 2022 an. Davon sind Schätzungen zu Folge etwa 5 bis 15 Prozent Kabel. Grob überschlagen entspricht das genug Material, um die Erde am Äquator über 30-mal zu umwickeln oder um jeder Person in Deutschland mindestens 15 cm Kabel zuzuteilen. Jetzt stellt euch vor, all diese Kabel bestünden nicht aus Kupfer, das in aufwendigen Recyclingprozessen wieder zurückgewonnen werden muss, sondern aus Mikroben. Genauso leitfähig und belastbar wie technische Kabel, aber eben nachwachsend und biologisch abbaubar.

Zugegeben, das ist wohl mehr hoffnungsvolle Spekulation als realistischer Ausblick, aber Bakterien, die Strom leiten, sind nicht einem Science-Fiction-Roman entsprungen, die gibt es wirklich. Und heute schauen wir sie uns etwas näher an.

Im Jahr 2010 untersuchte das Forschungsteam von Lars Peter Nielsen an der Universität Aarhus Sedimentproben, die im Hafen der dänischen Stadt gesammelt worden waren. In diesen Sedimenten befindet sich viel Sulfid, eine schwefelhaltige Verbindung, die in Anwesenheit von Sauerstoff zu Sulfat umgebaut, also oxidiert wird. Dafür werden Elektronen von Sulfidverbindungen auf Sauerstoff übertragen. Gerade in tieferen Sedimentschichten, also etwa ab einem Zentimeter Tiefe, gibt es eigentlich keinen Sauerstoff, so dass Sulfid nicht abgebaut werden sollte. Trotzdem konnten die Forschenden in ihren Sedimentproben feststellen, dass Sulfid auch in diesen tiefen Schichten umgewandelt werden konnte. Und zwar so schnell, dass das nicht durch eine langsame Diffusion von Sauerstoff aus der oberen Schicht erklärt werden konnte. Es musste also einen Prozess geben, der Elektronen vom tiefen Sediment in die sauerstoffreiche obere Schicht ableiten konnte. Da die Bewegung von Elektronen nichts anderes als elektrischer Strom ist, schlossen die Forscher, dass es eine Art nanowires geben muss, also winzig kleine biologische Kabel, die den Elektronentransport ermöglichen.

Zwei Jahre später kam dann die Bestätigung: Unter dem Mikroskop entdeckte einer von Nielsens Studierenden lange, feine Drähte, die die Sedimentschichten durchzogen. Es handelte sich um filamentöse, also fadenförmige Zusammenschlüsse zehntausender Bakterien. Durch ihr Aneinanderketten können sie Distanzen von bis zu 5 cm Überwinden und, wie sich in Folgeexperimenten herausstellen sollte, tatsächlich Strom leiten. In Anerkennung dieser Fähigkeit wurde die Art Electronema getauft, genauer Candidatus Electronema. Wer schon die ein oder andere Folge dieses Podcast gehört hat, weiß, dass der Vorname Candidatus bedeutet, dass eine Art zwar aus der Umwelt isoliert, nicht jedoch im Labor in Reinkultur kultiviert werden konnte. Das gilt neben Candidatus Electronema übrigens wahrscheinlich für einen überwiegenden Anteil der auf der Erde existierenden Bakterien. Selbst wir hier sehen also nur einen winzig kleinen Anteil der enormen mikrobiellen Vielfalt.

Nun aber zurück zu Candidatus Electronema. Diese Bakterien bilden also zentimeterlange Ketten und leben am Boden von Seen und Ozeanen, wie beispielsweise im Hafenbecken von Aarhus. Genau dort kommt ihnen jetzt ihre Fähigkeit, Elektronen zu leiten, zugute. Dadurch können sie sich nämlich Arbeit aufteilen. Wie eben bereits erklärt, finden sich in den unteren Sedimentschichten hohe Mengen an Sulfid – ideales Essen für Electronema. Um dies als Nahrung zu benutzen, brauchen die Bakterien allerdings Sauerstoff und genau diesen, gibt es eben tief unten im Sand nicht. Für ein einzelnes Bakterium wäre das ein Dilemma. Nicht so für Candidatus Electronema. Ein Ende des Bakterienkabels lebt nämlich im Sand, das andere ragt bis in die oberen Sedimentschichten oder sogar ins Gewässer hinein. Nun kann unten gegessen, also Sulfid verstoffwechselt werden, die dabei anfallenden Elektronen wandern entlang des Bakterienkabels bis in die oberen Schichten, wo sie dann auf Sauerstoff übertragen werden können. Dort wird also geatmet. Damit hat sich Electronema eine ökologische Nische erarbeitet, die kaum ein anderes Bakterium besetzen kann.

Jetzt aber die viel spannendere Frage: Wie leitet Electronema denn nun Strom? Dafür muss man wissen, dass Gram-negative Bakterien, zu denen auch Candidatus Electronema besteht, zwei Außenhüllen, sogenannte Membranen besitzen. Diese trennen das Bakterium von der Umgebung ab, wie beim Menschen die Haut. Normalerweise umschließen beide Membranen das Bakterium vollständig. Bei Candidatus Electronema allerdings sind die äußeren Membranen miteinander verschmolzen. Dadurch bildet sich ein langes Filament, in dem sich aber immer noch durch die inneren Membranen voneinander abgegrenzte Zellen befinden. Im Prinzip wie ein Reihenhaus, mit einem geteilten, umzäunten Grundstück. Der gemeinsame Gartenzaun entspricht dann der verschmolzenen äußeren Membran. Alle haben ihr eigenes Haus, darum herum gibt es einen gemeinsam nutzbaren, aber von der Außenwelt abgegrenzten Bereich. Genau in diesem Bereich liegen dann auch die eigentlichen Stromleitungen. Dabei handelt es sich um lange Proteinfasern, die viel Nickel enthalten. Übergangsmetalle wie Nickel sind in vielen Proteinen an der Übertragung von Elektronen beteiligt. So eben auch in den Fasern von Candidatus Electronema. Diese erstrecken sich über die gesamte Länge der Bakterienfilamente und sind als parallel verlaufende Rippen sichtbar. Damit sieht so ein Filament ein bisschen aus wie ein langer, dünner Dübel. Wem das zu abstrakt ist, dem verlinke ich wie immer Bilder in der Folgenbeschreibung. Der Metallanteil in diesen Fasern erlaubt dann eben auch das Weiterleiten der Elektronen, also des Stroms. Damit erreichen die mikrobiellen Filamente in speziellen Messungen Leitfähigkeiten und Stromdichten, die etwa in der Größenordnung von technischen Kabeln liegen.

Kann man Electronema also nutzen, um elektronische Geräte zu betreiben? Prinzipiell ja. Das bewies die spanische Künstlerin Anna Pasco Bolta in ihrer Installation „Let’s symbiose and be with“. Darin widmete sie Electronema eine Reihe an Liebesbriefen, die sie über Mikrofon und Verstärker vortrug. Das Kabel zwischen den beiden Geräten? Rein mikrobiell. Eine Ode über Kabelbakterien übertragen durch Kabelbakterien also. Bis zur kommerziellen Anwendung von Kabelbakterien anstelle der gängigen Kupferkabel ist es allerdings noch ein weiter Weg. Die Filamente wachsen bislang in natürlichen, spezialisierten Sedimenten und sind so empfindlich und schwer zu kultivierten, dass das vorerst wohl noch eine Idee für Science-Fiction Romane bleibt.

Allerdings gibt es noch andere, viel realistischere Anwendungen für Candidatus Electronema. So wird es als wertvolles Bakterium in der Bioremediation gehandelt. Vielleicht erinnert sich der ein oder andere, das bezeichnet die Reinigung und Wiedergewinnung verseuchter Gebiete nach Naturkatastrophen. Beispielsweise wird diskutiert, ob der Einsatz von Kabelbakterien nach Öl- oder Benzinkastrophen unter bestimmten Bedingungen den Abbau von umweltfremden Kohlenwasserstoffen beschleunigen könnte. Bisher handelt es sich dabei aber vor allem um experimentelle und konzeptionelle Ansätze.

Auch im Reisanbau ist Electronema ein vielversprechender Kandidat zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Jährlich entsteht auf den überfluteten Feldern eine riesige Menge Methan, eines der potentesten Treibhausgase. Bei ersten Versuchen mit Candidatus Electronema im Gewächshaus konnte beobachtet werden, dass der Methanausstoß um bis zu 90 % sank. Vermutlich, weil Electronema die Sauerstoffversorgung der Wurzeln anzapft, um im Boden befindliche Sulfide zu verstoffwechseln. Die Vielzahl der komplexen Stoffkreisläufe, die dort stattfinden, führen dann schlussendlich zu einer reduzierten Methanbildung. Einen ähnlichen Effekt könnte das Kabelbakterium auch in Mooren haben, allerdings gehören weder diese noch die eben angesprochenen Reisfelder zum bevorzugten Lebensraum des Bakteriums. Um seine einmaligen Fähigkeiten nun also zur Reduktion von Treibhausgasen einzusetzen, müssen also Wege gefunden werden, um das Wachstum der Bakterien an eben diesen Orten zu stimulieren.

Obwohl auch dieser Einsatz zunächst eine Sache der Zukunft bleibt, zeigt Candidatus Electronema doch recht eindrucksvoll, welches Potential in der Welt der Mikroben schlummert. Die Forschung der Zukunft wird uns da voraussichtlich noch viele Erkenntnisse mitbringen. Insgesamt sind inzwischen einige Arten von Kabelbakterien bekannt. Neben Electronema, die vorwiegend im Süßwasser vorkommen, gibt es auch die Gattung Electrothrix, die in Brackwasser und Ozeanen lebt. Da allerdings keine der Arten bisher in Laboren kultiviert werden konnte, wird es auch hier noch viele neue Erkenntnisse über Gemeinsamkeiten, Unterschiede und weitere Arten und Spezies geben. Vielleicht hat gerade deshalb die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie, VAAM, das Bakterium im Jahre 2024 zur Mikrobe des Jahres erklärt. Damit rückt auch ein bislang noch nicht kultiviertes Bakterium mal ins Spotlight - als Erinnerung daran, was es noch alles in der Welt der Mikroben zu entdecken ist, von dem wir bislang noch überhaupt keine Ahnung haben, dass es existiert.

‍ ‍

Links & weitere Infos

Entdeckung von Candidatus Electronema

Nielsen, L.P. et al. (2010), Nature, 463(7284), pp. 1071–1074.

Pfeffer, C. et al. (2012), Nature, 491(7423), pp. 218–221.

Nickel-haltige Proteinfasern leiten Elektronen

Boschker, H.T.S. et al. (2021), Nature Communications, 12(1), p. 3996.

Kabelbakterien in der Bioremediation

Dong, M. et al. (2024), Trends in Microbiology, 32(7), pp. 697–706.

Scholz, V.V. et al. (2020), 11(1), p. 1878.

Entdeckung weiterer Kabelbakterien-Arten

Hiralal, A. et al. (2025), 91(5), pp. e02502-24.