Bio-batteries: créer de l’énergie à partir de bactéries

L’horloge alimentée par la pomme de terre est un retour nostalgique des leçons de biologie de l’enfance de la plupart d’entre nous, mais un petit groupe de scientifiques pense que la production d’électricité à partir d’organismes bactériens pourrait devenir une option viable.

De nouvelles connaissances sur la mécanique d’un nouvel aspect de la respiration bactérienne pourraient aider à accélérer le développement de centrales électriques microbiennes capables de produire de l’électricité à partir des eaux usées industrielles ou des sédiments du fond de la mer, et d’usines bactériennes qui fabriquent des produits chimiques et des combustibles de grande valeur en utilisant uniquement l’énergie solaire et le dioxyde de carbone.

Des recherches récentes rapportées par l’équipe du Dr Tom Clarke au Département des sciences biologiques de l’Université d’East Anglia ont montré comment des milliers de minuscules fils moléculaires intégrés à la surface d’une bactérie appelée Shewanella oneidensis peuvent transmettre directement un courant électrique à des minéraux inorganiques tels que les oxydes de fer et de manganèse, ou à la surface des électrodes. Le phénomène, connu sous le nom de transfert d’électrons extracellulaires directs (DEET), se produit en raison de la façon dont certaines bactéries vivant dans des environnements dépourvus d’oxygène exportent des électrons générés par leur cycle respiratoire. Les exemples incluent Shewanella et certaines espèces d’une autre bactérie connue sous le nom de Geobacter.

La respiration cellulaire se produit dans tous les organismes vivants et implique une série cyclique de réactions chimiques qui se produisent dans les cellules d’un corps pour convertir l’énergie biochimique absorbée sous forme de nourriture ou de nutriments en une source d’énergie dans laquelle les cellules peuvent puiser pour alimenter tous les processus biochimiques qu’elles effectuent.

Ce processus génère des électrons en excès qui, dans la plupart des organismes, sont transmis à l’oxygène (générant de l’eau comme sous-produit) ou, dans le cas de microbes vivant dans un environnement exempt d’oxygène comme les sédiments de boue, les électrons sont transmis à d’autres ions minéraux absorbés par la cellule. Ce que les scientifiques ont découvert ces dernières années, cependant, c’est qu’une gamme de microorganismes ont développé des moyens d’exporter directement les électrons excédentaires de la cellule. Ils le font en faisant passer les électrons le long de minuscules fils moléculaires qui dépassent d’environ 2,5 nm de la surface de la cellule.

Pile à combustible microbienne

Développez ces bactéries sur une électrode et vous vous retrouvez efficacement avec la moitié anodique d’une batterie. Couplez cette anode à une cathode, alimentez les bactéries avec de la matière organique à base de carbone, par exemple des eaux usées industrielles, et vous pouvez construire une pile à combustible microbienne, ou MFC, qui génère de l’électricité, bien qu’en petites quantités.

Shewanella oneidensis, une bactérie qui prospère dans des environnements contaminés par des métaux lourds, est l’un des organismes qui présente cette capacité de transfert d’électrons, et les travaux du groupe de Clarke à l’UEA, en collaboration avec une équipe du Pacific Northwest National Laboratory du Département américain de l’Énergie (DoE), ont montré comment les fils moléculaires de Shewanella peuvent transporter des électrons hors de la cellule vers une surface appropriée sur laquelle la bactérie se développe.

“Les résultats de nos expériences étaient frappants”, affirme le Dr Clarke. “Ces fils bactériens ressemblent effectivement au câblage d’une maison. Un courant a circulé en arrière et en avant incroyablement rapidement, et beaucoup plus rapidement que ce qui est nécessaire pour la respiration.”

Exploiter Shewanella comme source d’électricité à une échelle adaptée pour réintroduire de l’électricité dans un réseau national ne sera probablement pas réalisable, tout simplement parce que les organismes ne génèrent pas assez de courant, poursuit le Dr Clarke. Cependant, leur capacité à donner des électrons aux métaux et aux minéraux peut être exploitée pour des applications bioremédiales, telles que la réduction des métaux lourds solubles présents dans le sol en formes insolubles qui ne peuvent pas se déverser dans les eaux souterraines. C’est l’une des pistes de recherche que les chercheurs du Pacific Northwest Laboratory poursuivent.

Mais ce qui est encore plus excitant, affirme-t-il, c’est le potentiel d’exploiter le processus inverse: remettre des électrons dans des bactéries telles que Shewanella à travers les fils, et génie génétique des micro-organismes pour fabriquer des composés utiles, y compris des carburants et des précurseurs de polymères, directement à partir du dioxyde de carbone.

Connue sous le nom d’électrosynthèse microbienne, c’est essentiellement une photosynthèse artificielle, c’est-à-dire la façon dont les plantes génèrent des sucres à partir de la lumière du soleil, du CO2 et de l’eau. Mais plutôt que la lumière du soleil elle-même, les bactéries accepteront les électrons comme source d’énergie, qu’elles utiliseront pour produire des composés à base de carbone à partir de CO2.

Il est déjà possible commercialement de “cultiver” des algues photosynthétiques comme moyen de produire des composés pouvant être transformés en carburants ou en d’autres produits. Cependant, comme le souligne Clarke, cette approche engloutit de grandes surfaces et est associée à la dégradation de l’environnement. En revanche, l’électrosynthèse microbienne pourrait être exploitée partout où il y a de la lumière du soleil, en utilisant des panneaux photovoltaïques pour alimenter les bactéries, et une source d’eau et de gaz CO2 (les gaz résiduaires industriels feront l’affaire) pour nourrir les bactéries afin qu’elles puissent fabriquer des produits à base de carbone.

L’électrosynthèse en tant que technologie se distingue également de l’utilisation d’autres bactéries telles que Escherichia coli et la fermentation de levures pour la fabrication de composés chimiques. “Les bactéries et les levures génétiquement modifiées sont largement utilisées dans les milieux commerciaux pour fabriquer des protéines et d’autres composés, des intermédiaires et même des médicaments, mais elles ne photosynthétisent pas, vous devez donc les alimenter avec un sucre quelconque, ce qui ajoute un coût important au processus”, explique Clarke. “En revanche, l’électricité est bon marché et le CO2 est un déchet de nombreux procédés industriels et de la combustion de combustibles fossiles. Si nous pouvons alimenter des bactéries telles que Shewanella avec des électrons, par exemple en les plaçant sur des électrodes connectées à des panneaux solaires, et en leur donnant du CO2 comme source de carbone, nous pourrions utiliser ce processus de photosynthèse artificielle pour générer des produits de grande valeur.”

Une situation environnementale gagnant-gagnant

Exploiter la capacité de Shewanella et d’autres microorganismes à faire passer des électrons vers et depuis les électrodes (et donc les appareils auxquels ils sont connectés) est un domaine connu sous le nom d’électromicrobiologie. “D’un point de vue environnemental, c’est une situation gagnant-gagnant”, explique le professeur Korneel Rabaey, du Département de Technologie Biochimique et microbienne de l’Université de Gand.

Auparavant fondateur du Centre d’Électrosynthèse microbienne de l’Université du Queensland, le professeur Rabaey a joué un rôle déterminant dans la mise en œuvre d’une usine pilote de système microbien bioélectrochimique (BES) dans une brasserie Foster à Yatala, dans le Queensland, il y a cinq ans. Cette usine pilote utilisait des bactéries pour générer de l’énergie électrique à partir des eaux usées de la brasserie et produire de la soude caustique, dont la brasserie a besoin en grande quantité pour nettoyer ses réservoirs. Un projet pilote similaire a depuis été mis en place dans une usine de fabrication de papier pour produire le peroxyde d’hydrogène nécessaire au processus de production.

Les travaux de l’Université du Queensland ont en outre conduit à la création d’une entreprise dérivée, Bilexys, qui développe des systèmes bioélectrochimiques associant le traitement des eaux usées à la production commerciale de produits chimiques. “Ces usines pilotes démontrent que le concept fonctionnera dans le monde réel et pourrait fournir à l’industrie des options pour produire les produits chimiques nécessaires sur place, avec très peu d’apport énergétique, et l’avantage supplémentaire de nettoyer leurs déchets en même temps”, commente le professeur Rabaey. “Au fur et à mesure que de plus en plus de ces usines pilotes seront mises en service, la technologie sera considérée comme commercialement viable et stimulera le développement de nouveaux procédés.”

Biofactories alimentées par des électrons

Il est important de faire la distinction entre le concept généralisé d’utilisation de bactéries pour nettoyer les eaux usées et l’utilisation de la synthèse bioélectrochimique par des organismes tels que Shewanella, souligne le professeur Rabaey. “Le traitement des eaux usées à l’aide de bactéries anaérobies pour décomposer le contenu organique est bien connu et largement appliqué pour produire du biogaz riche en méthane.”En fait, il y a plus de 3 000 usines rien qu’en Europe qui produisent du biogaz de cette manière, en utilisant un mélange de bactéries qui peuvent décomposer des composés carbonés complexes en composants de plus en plus petits, souligne-t-il.

“Ce que nous ne pouvons pas encore faire, c’est fabriquer des produits chimiques propres et de grande valeur à partir des eaux usées, et c’est là que la synthèse bioélectrochimique par des bactéries telles que Shewanella pourrait révolutionner la production de carburants, de biopolymères et d’autres substances à partir des eaux usées, en utilisant uniquement des sources d’électricité bon marché. Les bactéries peuvent déjà fabriquer de petites molécules, mais nous espérons concevoir génétiquement les micro-organismes afin qu’ils produisent des molécules plus complexes, de la même manière que nous pouvons maintenant concevoir la levure et la bactérie E. coli en tant que biofactories. Cependant, avec la synthèse bioélectrochimique, nous n’avons pas besoin de brancher les sucres dans les organismes comme éléments constitutifs pour qu’ils fabriquent le produit final.”

Le travail vers cet objectif n’en est cependant qu’à ses balbutiements. “D’une part, nous avons des bactéries telles que Shewanella qui peuvent effectuer une photosynthèse artificielle en utilisant de l’électricité bon marché, mais qui ne peuvent actuellement fabriquer qu’une gamme limitée de composés utiles”, explique le professeur Rabaey. “D’autre part, nous disposons d’un arsenal de micro–organismes – comme E. coli et la levure – qui possèdent la machinerie biologique nécessaire pour produire un grand nombre de composés utiles, et qui peuvent être conçus relativement facilement, mais qui n’affichent pas la machinerie de navette électronique nécessaire pour qu’ils soient alimentés en électricité.”Le professeur Derek Lovley de l’Université du Massachusetts (UMass) à Amherst, qui a découvert la première espèce de Geobacter, connue sous le nom de Geobacter metallireducens, dans les sédiments sableux du fleuve Potomac en 1987, a mis au point des technologies permettant aux scientifiques de modifier des espèces de bactéries acceptant les électrons, notamment Shewanella, Geobacter et des espèces de la bactérie Clostridium.

Conductivité bactérienne

Le professeur Lovley est le fer de lance du projet Geobacter (www.géobacter.org) à l’UMass, qui étudie à la fois la production d’électricité – c’est–à-dire la pile à combustible microbienne – et les capacités électrobiosynthétiques de la bactérie. Geobacter excelle dans la production d’électricité, mais la pensée du professeur Lovley reflète celle de Clarke et Rabaey, en ce sens qu’il est peu probable que nous voyions le développement d’usines de traitement des eaux usées à base de Geobacter ou de Shewanella qui génèrent de grandes quantités d’électricité en tant que sous-produit. “Nos travaux sur les piles à combustible microbiennes concernent principalement des projets financés par le Bureau américain de la Recherche navale qui cherchent à récolter de l’électricité dans la boue au fond de l’océan pour faire fonctionner des dispositifs de surveillance, qui ne nécessitent qu’un peu d’énergie.”

Une application potentielle de la capacité de production d’électricité de Geobacter pourrait être le développement de capteurs bioélectriques pour les composés organiques, suggère le professeur Lovley. “Dans ce type de capteur, les bactéries seraient couplées à une électrode et un résultat positif serait enregistré comme un petit courant électrique.”Il s’agit de réfléchir à la manière d’exploiter les capacités de production d’électricité des organismes concernés à plus petite échelle plutôt qu’à plus grande échelle. “Les applications où vous n’avez pas besoin de générer beaucoup d’énergie représentent de bonnes opportunités pour les piles à combustible microbiennes et les organismes capables de réaliser du DEET.”

Les applications de biorestauration sont, en revanche, multiples, souligne le professeur Lovley. L’un des projets UMass, en collaboration avec des sociétés pétrolières, vise à exploiter la capacité de Geobacter à oxyder la matière organique pour éliminer les contaminants hydrocarbonés du sol et des eaux souterraines. Les travaux des équipes de l’UMass tentent séparément de cartographier le code génétique de différentes espèces de géobactères, ce qui devrait aider à prédire le comportement des bactéries dans différentes conditions environnementales et permettre aux scientifiques de déterminer les meilleures souches des activités de l’organisme telles que le nettoyage de contaminants spécifiques.

La recherche UMass sur le processus d’électrosynthèse (remettre des électrons dans les bactéries) est centrée sur d’autres microorganismes, tels que les espèces de Clostridium, qui semblent bien mieux adaptés que Geobacter aux applications dans lesquelles les organismes sont alimentés en électrons pour générer des produits à partir de dioxyde de carbone, ajoute le professeur Lovley. “Geobacter est le meilleur des deux organismes pour produire de l’électricité, alors que Clostridium est bien adapté aux applications électrosynthétiques.”

Ce que les chercheurs ne savent pas encore, cependant, c’est comment le Clostridium fait entrer et sortir ses électrons de la cellule. L’organisme ne produit pas de fils moléculaires comme Shewanella et Geobacter. “Le Clostridium semble avoir une chimie extérieure totalement différente de celle de Shewanella, et découvrir son fonctionnement est quelque chose que nous espérons réaliser au cours des prochaines années”.

Optimisation de la bioproduction

L’une des grandes avancées technologiques de l’équipe UMass a eu lieu l’année dernière, avec le développement d’une plate-forme de bioingénierie qui permettra aux scientifiques de modifier génétiquement les espèces de Clostridium afin que le microorganisme utilise le CO2 et l’énergie électrique pour produire des composés organiques très simples et les convertir en hydrocarbures plus compliqués. “C’est la même idée de base que de manipuler d’autres bactéries, en ce sens que vous pouvez retirer certains gènes et en introduire d’autres, pour diriger la cellule vers la fabrication du composé que vous voulez, ou fabriquer un précurseur ou un bloc de construction qui peut facilement être modifié en produit final.”

De plus, de nouvelles connaissances sur la structure des nanofilaments produits par des espèces telles que Geobacter et Shewanella pourraient ouvrir la voie au développement de microcircuits basés sur le câblage biologique en tant qu’approche complètement nouvelle de l’interfaçage de la biologie avec l’électronique. Par exemple, le professeur Lovley suggère que Geobacter présente des propriétés de transistor et peut fonctionner comme des supercondensateurs pour le stockage d’électrons.

“Cela se prête au potentiel de développer des composants électroniques microbiens à partir de matières premières peu coûteuses, pour une production de masse. Les fils microbiens sont extraordinairement durables pour une protéine biologique, et la bioélectronique présente l’avantage supplémentaire d’être fonctionnelle dans l’eau.”Cependant, souligne-t-il, les applications pratiques de ces technologies en sont encore au stade conceptuel.

Alors, ces micro-organismes vivant dans la boue et le sol représentent-ils une promesse d’énergie bon marché pour tous? Il semble peu probable que le DEET étanchera de manière réaliste la soif mondiale d’électricité, bien que la capacité de ces bactéries à générer un courant électrique puisse s’avérer utile pour développer des biocapteurs microbiens à base de piles à combustible et des biobatteries à petite échelle. Ce qui est beaucoup plus probable, c’est que Geobacter, Clostridium et Shewanella auront des applications beaucoup plus répandues et commercialement viables dans des domaines tels que la biorestauration et le nettoyage des eaux usées, et la synthèse de composés industriels précieux, d’intermédiaires et de carburants.

L’horloge alimentée par la pomme de terre est un retour nostalgique des leçons de biologie de l’enfance de la plupart d’entre nous, mais un petit groupe de scientifiques pense que la production d’électricité à partir d’organismes bactériens pourrait devenir une option viable. De nouvelles connaissances sur la mécanique d’un nouvel aspect de la respiration bactérienne…

L’horloge alimentée par la pomme de terre est un retour nostalgique des leçons de biologie de l’enfance de la plupart d’entre nous, mais un petit groupe de scientifiques pense que la production d’électricité à partir d’organismes bactériens pourrait devenir une option viable. De nouvelles connaissances sur la mécanique d’un nouvel aspect de la respiration bactérienne…

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