In rivierbeddingen en de oceaanbodem kronkelen natuurlijke elektriciteitsnetten, opgebouwd uit nanodraadjes die door bacteriën zijn geproduceerd. Licht blijkt een verrassende rol te kunnen spelen in het aanjagen van de stroom door dit bijna onzichtbare stroomnet.
We kunnen ons het dagelijks leven nauwelijks voorstellen zonder het elektriciteitsnet, voor verlichting en het opladen van je telefoon. Toch bestaat dit door mensen gebouwde net pas 140 jaar. Maar de natuur was ons voor. Onder de grond stromen al veel langer elektronen door een bacteriële elektriciteitsnetten. Bacteriën gebruiken de stroomdraden om overtollige elektronen kwijt te raken.
Dat dit natuurlijke elektriciteitsnet bestaat, weten we pas zeventien jaar. Sindsdien proberen wetenschappers de bacteriën en hun draden beter te begrijpen. Dan doen ze niet alleen voor een beter begrip van de natuur, maar ook om de eigenschappen van het natuurlijke net te benutten.
Mieren zijn magnifieke navigators
Mieren zijn in staat tot verbazingwekkende navigatieprestaties. Misschien kan waardering hiervoor helpen om deze insectensoorten te behouden.
De netwerken van draden hebben namelijk allerlei gewenste eigenschappen. Ze geleiden niet alleen stroom, ze zijn ook flexibel, biologisch afbreekbaar en milieuvriendelijk. Verder hebben de bacteriën nuttige talenten, waardoor netwerken met verschillende, elektronen uitwisselende bacteriën zelfs gebruikt zouden kunnen worden voor het opwekken van energie of de productie van biobrandstoffen.
Zoekend naar zulke toepassingen ontdekte een Amerikaanse onderzoeksgroep dat de draden tot honderd keer beter elektriciteit geleiden als ze beschenen worden met licht.
Snorkels voor elektronen
Dat is verrassend. Natuurlijke elektriciteitsnetten vind je namelijk op plekken waar geen licht schijnt: in de oceaanbodem, rivierbeddingen en onder rijstvelden. De nanodraden groeien daar uit bacteriën die in deze licht- en zuurstofarme omstandigheden leven.
Deze bacteriën eten, net als wij, koolstofhoudende stoffen. Bij het verteren van deze stoffen komen er elektronen vrij. Wij raken die kwijt door ze over te dragen aan zuurstof. De bacteriën hebben die mogelijkheid niet, omdat er nauwelijks vrije zuurstof aanwezig is. Zij moeten hun elektronen op een andere manier kwijt. Een elektronenoverschot betekent namelijk hun einde.
Daarom sturen ze hun elektronen naar metaalhoudende materialen in de omgeving die extra elektronen kunnen opnemen, zoals ijzeroxide (roest). Dat betekent dat de bacteriën hun elektronen op een of andere manier naar buiten moeten transporteren, naar de metaalhoudende materialen. Daar komen de nanodraden bij kijken. Deze groeien als haren uit de bacterie, en maken contact met mineralen, of zelfs andere micro-organismen met elektronenhonger, in de omgeving. Zo stromen de elektronen weg.
‘Zoals wij moeten ademhalen, zo moeten de bacteriën hun elektronen kwijt om te overleven’, zegt biofysicus Nikhil Malvankar van de Amerikaanse Yale Universiteit tijdens een videocall. ‘Daarom vergelijk ik de nanodraadjes wel eens met snorkels. Het zijn wel uitzonderlijk lange snorkels. Ze kunnen honderd keer langer zijn dan de bacterie zelf.’
Sinds een paar jaar weten onderzoekers dat de nanodraden vergelijkbaar zijn met onze elektriciteitsdraden. Ze bestaan uit een geleidende kern met daaromheen een isolerende laag. De kern bestaat uit een keten van zogeheten heem-verbindingen met daaromheen isolerende eiwitten. Heem komt ook voor in het menselijk lichaam, binnenin het eiwit hemoglobine in rode bloedcellen.
Sneller door licht
In het nieuwe onderzoek schenen de onderzoekers eerst met een laser op een netwerk van bacteriën en nanodraden, zoals die ook voorkomen in de natuur. De beschenen draden bleken de elektronen sneller en beter te geleiden. ‘Na twee uur onder de laser trad dit effect nog steeds op, zonder dat de draden verbrandden of op een andere manier beschadigd raakten door het licht’, vertelt Malvankar.
Vervolgens ‘schoren’ ze een paar nanodraden van de bacteriën en beschenen een enkele, losse nanodraad met licht. Daarbij bleek het effect nog groter dan in het netwerk. De elektrische geleiding was ruim honderd keer hoger dan in een draad zonder licht.
De onderzoekers hebben ook ontdekt hoe het licht ervoor zorgt dat de elektronen sneller bewegen. Het licht blijkt de heemmoleculen te activeren. Dat betekent dat het licht elektronen in de heemmoleculen extra energie geeft. Daardoor kunnen elektronen gemakkelijker door het materiaal bewegen, wat de elektrische geleiding verhoogt.
Methaan en biobrandstof
‘Dat de elektrische geleiding van de nanodraadjes verhoogt door licht, is een interessant nieuw fenomeen’, mailt microbioloog Derek Lovley van de Amerikaanse Universiteit van Massachusetts. Lovley ontdekte zeventien jaar geleden het bestaan van de natuurlijke elektriciteitsnetten. ‘Maar deze nieuwe bevinding doet weinig voor ons begrip van hoe deze bacteriën leven. Ten eerste omdat er geen licht is waar ze groeien. Ten tweede omdat het nieuwe onderzoek kijkt naar een type nanodraad die in de minderheid is bij de bacteriën. Slechts 10 procent van de draden bestaat uit dit type. Het overgrote deel van de draden, 90 procent, heeft een geheel andere samenstelling en er zijn geen aanwijzingen dat licht invloed heeft op hun geleidbaarheid.’
De resultaten zijn dus vooral relevant voor toepassingen die wij als mensen verzinnen voor de nanodraden. ‘Er zijn allerlei soorten bacteriën die beschikken over de nanodraden die reageren op licht. Zoals bijvoorbeeld bacteriën die het broeikasgas methaan kunnen opnemen’, zegt Malvankar. ‘Misschien kunnen we er met licht voor zorgen dat ze meer methaan opnemen omdat licht ervoor zorgt dat ze hun elektronen sneller kwijt kunnen.’ Ook kunnen bacteriën die gebruikt worden voor de productie van biobrandstoffen mogelijk met licht aangespoord worden om sneller te werken.
Lovley: ‘Er zijn veel fascinerende ontwikkelingen op dit gebied en dat leidt tot groeiende belangstelling voor de bacteriën en hun toepassingen.’