‘Het was voor ons al heel wat dat het überhaupt werkt’, vertelt Heleen Ouboter, promovendus aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Onlangs haalden zij en haar begeleider, hoofddocent Cornelia Welte, de internationale media met een truc om eencelligen elektriciteit te laten genereren uit methaan. Maar wie nu denkt dat aardgasgestookte centrales binnenkort kunnen worden vervangen door bioreactoren, loopt volgens Welte vooruit op de feiten. ‘Wij zijn een laboratorium. We hebben een proof-of-concept geleverd. We zijn nog lang niet toe aan opschalen en praktisch toepassen, we zijn bij de vraag hoe je dit proces een jaar continu kunt volhouden in plaats van een week.’

Rijstveld

Er zijn al vaker microbiële biobrandstofcellen gebouwd. Meestal liepen die op organisch afval, maar twee jaar geleden bleken de roemruchte anammoxbacteriën uit de waterzuivering elektriciteit te kunnen genereren uit de oxidatie van ammoniumionen. Ook anaerobe microbiële oxidatie van CH₄ tot CO₂ was al eerder waargenomen, maar niemand snapte hoe het werkte.

DNA-analyse van de betrokken kweekjes leverde sequenties op die zich niet lieten toeschrijven aan bekende soorten. De geheimzinnige eigenaars kregen de voorlopige geslachtsnaam ’Candidatus Methanoperedens’ mee. In de natuur maken deze methaanvretertjes deel uit van een ecosysteem waarin andere micro-organismen het methaan genereren. De protonen en elektronen die bij de CH₄-oxidatie vrijkomen, werkt ’Ca. Methanoperedens’ weg door een andere verbinding te reduceren. Omzetting van nitraat in nitriet lijkt de voorkeur te hebben, wat verklaart dat ’Ca. Methanoperedens’ vooral gedijt in stikstofrijk water - de Nijmeegse kweekjes komen uit de Ooijpolder en een Italiaans rijstveld. Volgens Welte komen ze ook voor in de langzaam ontdooiende Siberische toendra’s, die anders misschien nog veel meer methaan zouden uitstoten dan nu.

‘Wij zijn nog lang niet toe aan opschalen’

Als je eenmaal weet waar ze zitten en wat ze doen, is de volgende vraag hoe ze dat dan doen. Juist daarop willen ze in Nijmegen een antwoord vinden. Uit het genoom, waarvan inmiddels grote delen bekend zijn, valt af te leiden dat het niet gaat om bacteriën, maar om archaea - ook eencelligen, maar met een andere biochemie. Sommige genen lijken te coderen voor cytochromen, eiwitten die worden geassocieerd met elektronenoverdrachtsprocessen. Door ook te kijken naar de productie van RNA, als maat voor genetische activiteit, hebben de onderzoekers al een gencluster kunnen aanwijzen dat wel eens nauw betrokken zou kunnen zijn bij de elektriciteitsproductie. Maar voor het grootste deel blijft het metabolisme van ’Ca. Methanoperedens’, in Weltes woorden, een puzzel van vierduizend verschillende eiwitten waarvan je de onderlinge interacties niet kent. ‘We bedachten dat we meer te weten zouden komen over de mechanismes als we de methaanoxidatie en de nitraatreductie kunnen ontkoppelen, vertelt ze. ’Nu kun je alleen beide processen samen bestuderen en dat is problematisch. Als je nitraat in het buisje stopt, is niet alleen Methanoperedens daar blij mee maar ook duizenden andere micro-organismen die in de cultuur voorkomen.’ Om die ontkoppeling te realiseren kwamen zij en Ouboter uit op een bio-elektrisch systeem dat de geproduceerde elektronen afvoert naar buiten.

Optimalisatieslag

Onlangs publiceerden ze hun proof-of-concept in het tijdschrift Frontiers in Microbiology. Ze gebruiken een glazen bioreactor met twee compartimenten, gescheiden door een membraan dat protonen doorlaat. In de ene hangt een metalen kathode in een bufferoplossing, in de andere een koolstofanode waarop een biofilm groeit met onder meer ’Ca. Methanoperedens’. Voed je die cultuur met gelabeld methaan, dus ¹³CH₄, dan produceert ze vrije elektronen en ¹³CO₂. En als je methaan blijft toevoeren, vind je na verloop van tijd steeds meer DNA van ’Ca. Methanoperedens’ rond de anode. Hetgeen bewijst dat deze archaea inderdaad verantwoordelijk zijn voor de omzetting.

Het is echt een eerste probeersel, vertelt Ouboter. ‘Het heeft even geduurd voordat we überhaupt methaanafhankelijke stroom konden krijgen.’ Welte: ‘De grootste uitdaging was om het systeem zuurstofvrij te maken, want deze micro-organismen zijn daar zeer gevoelig voor. En je krijgt ze aangeleverd in slibkorrels, die je moet zien over te plaatsen in een biofilm op je anode.’ Nu het eenmaal werkt, probeert Ouboter de procescondities te optimaliseren. ’We hebben bijvoorbeeld nog maar één potentiaalverschil over de elektrodes geprobeerd. Wat gebeurt er als we een andere spanning instellen?’ Een andere vraag is hoe je de biofilm zo lang mogelijk laat leven. Toen het manuscript werd ingeleverd ging het acht dagen goed; inmiddels werkt het een aantal weken, maar voor een commercieel systeem is dat nog steeds te kort. De elektriciteitsopbrengst blijft nog beperkt tot microampères. En het energetisch rendement komt nu uit op maximaal 31%; lang niet slecht maar klassieke aardgascentrales doen het beter.

Dat laatste punt geeft tevens iets aan over mogelijke toepassingen. Je maakt de meeste kans als je kleinschalige installaties vervangt die met de huidige technologie ook niet zulke hoge rendementen halen. Welte denkt specifiek aan biogas, dat wordt geproduceerd door vergisting van slib uit afvalwaterzuiveringsinstallaties. ‘Maar dit zijn toekomstdromen. We zitten nu nog in het stadium dat we van één naar twee liter willen gaan.’