Geen bugs maar bacteriën in je smartphone

Onderaan dit artikel kan je stemmen voor je favoriete laureaat.

Het moet een vreemde aanblik zijn geweest: op het strand aan de Zeelandse Oosterschelde stappen vijf fysici, van kop tot teen gehuld in een rubberpak, uit een busje. Ze wandelen langs de waterlijn en houden af en toe halt aan een stinkende poel. Terwijl ze proberen niet weg te zakken in de verraderlijke modder, halen ze hun potjes boven.

‘In die zwavelrijke omgeving gedijen zogenoemde kabelbacteriën’, zegt Robin Bonné (UHasselt), die mee in de poelen ploeterde. ‘Dat zijn langwerpige beestjes van duizenden cellen aan elkaar. Met de onderkant van hun lijf zitten ze in de modder van de zeebodem en met de bovenkant komen ze tot aan het water. Onderaan onttrekken ze voedzame zwavel aan het sediment, bovenaan halen ze zuurstof.’

Toen Deense onderzoekers de bacteriën in 2012 voor het eerst ontdekten, hadden ze vooral oog voor de bizarre bouw van de micro-organismen. Pas later volgde de bevestiging dat de beestjes nog om een andere reden bijzonder waren. Net onder hun huid zit een ingenieus netwerk van 50 nanometer dikke vezeltjes. Die gebruiken ze om elektronen uit de zwavel door hun lijf te transporteren. Uiteindelijk was het een team van Belgische en Nederlandse onderzoekers, onder wie Bonné, dat kon aantonen dat de bacteriën zo op eigen houtje stroom kunnen geleiden, van de ene naar de andere kant van hun lijf.

Sindsdien onderzoekt Bonné hoe hij kabelbacteriën kan gebruiken in elektronische apparaten. Daarmee wil hij het groeiende probleem van e-waste aanpakken. ‘Momenteel gebruiken we in onze smartphones en andere toestellen koper of zilver om stroom te geleiden. Uiteindelijk belanden die metalen samen met onze afgedankte toestellen op de elektronische-afvalberg. Die groeit jaarlijks aan met 50 miljoen ton. Een vijfde daarvan kan worden gerecycled, de rest – waaronder de metalen – niet. Ik hoop dat we die metalen kunnen vervangen door biodegradeerbare bacteriën. Als dat lukt, komen we een stap dichter bij een toekomst waarin we onze oude smartphone gewoon in de compostbak kunnen gooien.’

Bacteriën in de ruimte

Om na te gaan hoe goed de kabelbacteriën stroom geleiden, moest Bonné metingen uitvoeren in het lab. Hij nam de exemplaren die hij aan de Oosterschelde had verzameld en plaatste ze in een stikstofatmosfeer. ‘Dat moest snel gaan: we merkten dat het elektrische signaal exponentieel daalde zodra de bacteriën aan de buitenlucht werden blootgesteld. Na tien minuten viel er niets meer te meten. Maar in de stikstofomgeving kregen we wel resultaten: de bacteriën bleken zeer goede geleiders te zijn.’

De organismen presteren niet zo goed als een metaal – koper en zilver spannen nog steeds de kroon. ‘Je zou de eigenschappen van de bacteriën wel aanzienlijk kunnen versterken door ze genetisch te modificeren,’ stelt Bonné, ‘maar zover zijn we nog niet.’ Wat wél in het voordeel spreekt van de bacteriën is dat ze goed tegen extreme koude kunnen. ‘Anders dan metalen blijven zij ook bij -200 graden goed geleiden. Dat zet de deur open naar toepassingen in de ruimtevaart.’

De kabelbacteriën tussen het donkere sediment zijn slechts 2 micrometer breed, maar wel tot een centimeter lang.

Het zou niet de eerste keer zijn dat organische structuren worden verwerkt in elektronische toestellen. In de beeldschermen van heel wat tv’s, smartphones en andere apparaten zitten oleds: organische molecules die licht uitzenden wanneer er stroom doorgaat. Sommige zonnepanelen hebben organische zonnecellen. ‘Bij deze technologieën werkt de stroomgeleiding ongeveer even goed als bij de kabelbacteriën’, zegt Bonné.

Maar gaandeweg ontdekte Bonné dat de kabelbacteriën nog een bijkomend kunstje kennen. ‘Bij tests zagen we dat we meer of minder stroom door hun lijf kunnen sturen. Dat betekent dat we de bacterie in een elektronisch apparaat kunnen gebruiken als een elektrisch schakeltje waarbij we de stroom aan- en uit kunnen zetten. Ze functioneert dus op dezelfde manier als een transistor, de basiseenheid van alle elektronica.’ Met kabelbacteriën kan het computationele hart van onze elektronische apparaten biologisch afbreekbaar worden.

Biologisch elektronisch

De eerste smartphone of laptop met kabelbacteriën moet nog worden gebouwd. Concrete plannen daartoe zijn er op dit moment ook niet. ‘We weten nog steeds niet helemaal hoe de stroom precies van de ene naar de andere kant reist in het lijf van het beestje’, zegt Bonné. ‘Het is ook nog de vraag hoe en in welke configuratie we de bacteriën in elektronische toestellen zouden verwerken. Dat is een vraagstuk voor ingenieurs.’

Heel wat delen van elektronische apparaten zijn nu al biologisch afbreekbaar. Een smartphone of laptop bevat naast metalen en halfgeleiders natuurlijk ook andere materialen, waaronder veel plastic en lijm. Daarvoor zijn al biodegradeerbare alternatieven in de omloop. ‘Het is niet zo moeilijk om een milieuvriendelijk jasje te maken voor een toestel. Het is wat daaronder zit, dat ingewikkelde geheel van draadjes en contactjes, dat problemen stelt.’

Stukje bij beetje worden die problemen opgelost. De onderzoeksgroep waarbinnen Bonné zijn doctoraat schreef, werkt naarstig aan de ontwikkeling van een volledig biodegradeerbaar elektronisch circuit. De onderzoekers willen een werkend concept uitdenken dat volledig afbreekbaar is. ‘Dan zullen we kunnen bewijzen dat een composteerbare smartphone niet van de pot gerukt is.’

Bij dat werk zijn ook biologen betrokken. ‘Zij zoeken naar manieren om de relevante vezels uit de kabelbacteriën te halen en daar een cultuur van te maken’, zegt Bonné. ‘Het zou een grote hulp zijn als we die gewoon in het lab kunnen kweken. Dan moeten we tenminste niet meer om de zoveel tijd in stinkende modderpoelen wroeten.’

Robin Bonné

Fysicus Robin Bonné (1992) promoveerde in 2020 aan X-LAB, een onderzoeksgroep verbonden aan de Universiteit Hasselt. Voor zijn onderzoek naar elektrisch geleidende kabelbacteriën werkte hij samen met biologen verbonden aan de Universiteit Antwerpen en de universiteit van Aarhus in Denemarken, waar hij meermaals naartoe trok. In 2018 verzorgde hij voor de Universiteit van Vlaanderen als jongste onderzoeker een lezing over bacteriën in waterzuiveringsinstallaties.