Un système biosynthétique de photosynthèse artificielle

La photosynthèse est le processus biologique qui permet aux plantes, aux algues et à certaines bactéries de synthétiser de la matière  organique (biomasse) à partir d’eau et de dioxyde de carbone CO2 en utilisant la lumière du soleil. Ces systèmes biologiques emmagasinent ainsi l’énergie solaire en réduisant la quantité de CO2 présent dans l’atmosphère.

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Crédit Wikipedia C.C.4.0

 

 

Des scientifiques de Harvard University, Cambridge, USA, ont réalisé un système hybride biosynthétique. Il décompose l’eau en hydrogène et oxygène à l’aide d’électricité d’origine solaire en présence de catalyseurs minéraux biocompatibles faits de composants très répandus sur la terre. Une bactérie cultivée à leur contact consomme l’H2 et synthétise biomasse et  carburants à partir du CO2 présent  dans l’air.

Le rendement énergétique des organismes photosynthétiques  est au plus de l’ordre de 4% pour les plantes. Il exprime aussi l’efficacité de la réduction du CO2 de l’air par ces mécanismes. Avec la nouvelle technique hybride à catalyseurs minéraux et bactéries mise au point à Harvard, il atteint près de 10%, dépassant celui des plantes.

 

 

La décomposition de l’eau en H2 et O2 par électrolyse catalysée

L’électrolyse de l’eau est bien connue, mais, avec des électrodes ordinaires, comme, par exemple, celles en acier inoxydable, il se produit à la cathode un dégagement d’espèces chimiques oxygénées (ECO) , H2O2, O2, HO  qui sont toxiques pour la croissance des bactéries. Pour diminuer ce phénomène, D.G Nocera et al. ont utilisé comme cathode catalysante un alliage cobalt-phosphore (Co-P) résistant à l’oxygène. Près de cette électrode, les ions hydrogènes se recombinent en hydrogène moléculaire H2 (réduction). Ces ions hydrogènes proviennent de la décomposition (oxydation) de l’eau qui a lieu à l’anode faite de  phosphate de cobalt Co-Pi.  A la cathode,  il se produit une attaque chimique donnant des cations Co2+ toxiques  qui se recombinent sur l’anode.  Ces réactions sont schématisées sur la figure ci-dessous.

Fig.1. Paires d’électrodes catalysantes à toxicité biologique minima Images au microscope électronique à balayage des électrodes Co-P et Co-Pi ; la barre d’échelle vaut 10 micromètres. On a figuré les diagrammes de réactions aux deux électrodes. La réaction principale de décomposition de l’eau est figurée en noir, les réactions secondaires qui fournissent des produits toxiques, ECO et Co2+, le sont en rouge. Les flèches vertes indiquent les trajets des électrons dégagés à l’anode par la réaction d’oxydation, transportés par le circuit extérieur vers la cathode où ils réduisent les ions H+ en H2. Adapté de Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis Chong Liu, Brendan C. Colón, Marika Ziesack, Pamela A. Silver, Daniel G. Nocera, SCIENCE, 3 JUNE 2016 • VOL 352 ISSUE 6290, avec autorisation.

Fig.1. Paires d’électrodes catalysantes à toxicité biologique minima
Images au microscope électronique à balayage des électrodes Co-P et Co-Pi ; la barre d’échelle vaut 10 micromètres.
On a figuré les diagrammes de réactions aux deux électrodes. La réaction principale de décomposition de l’eau est figurée en noir, les réactions secondaires qui fournissent des produits toxiques, ECO et Co2+, le sont en rouge.
Les flèches vertes indiquent les trajets des électrons dégagés à l’anode par la réaction d’oxydation, transportés par le circuit extérieur vers la cathode où ils réduisent les ions H+ en H2.
Adapté de Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies
exceeding photosynthesis, Chong Liu, Brendan C. Colón, Marika Ziesack,
Pamela A. Silver, Daniel G. Nocera,
SCIENCE, 3 JUNE 2016 • VOL 352 ISSUE 6290, avec autorisation.

 

 

La fixation du CO2 par la bactérie Ralstonia eutropha

En interfaçant le système biocompatible précédent avec la bactérie R.eutropha, on obtient un système hybride capable de fixer le CO2 de l’air. Pour une quantité d’électricité de 1kWh, on obtient une biomasse équivalente à la capture de 180g de CO2.

Ceci est réalisé dans un réacteur contenant les électrodes catalysantes précédentes alimentées par une tension continue constante. Le réacteur est à demi rempli par une solution de sels minéraux (principalement des phosphates) et des bactéries  Ralstonia eutropha vivantes. (Fig.2. ci-dessous). La faible tension (1,8 à 2,0 V) nécessaire pour la décomposition de l’eau ne perturbe pas les fonctions des bactéries.

Fig.2. Schéma du système hybride biologique et électrochimique Dans ce réacteur, la décomposition de l’eau produit du H2 , source d’énergie intermédiaire qui est oxydé par des hydrogénases (H2ases) pour alimenter R. eutropha. Cette bactérie va assimiler le CO2 pour produire selon un cycle dit de Calvin de la biomasse et divers composés organiques :PHB: poly(3-hydroxybutyrate); C3: isopropanol; C4: isobutanol; C5: 3-methyl-1-butanol. Le système biocompatible de décomposition de l’eau minimise la production des espèces chimiques oxygénées (ECO) et fixe le Co2+ dégagé à la cathode sur l’anode Co-Pi . Adapté de Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis Chong Liu, Brendan C. Colón, Marika Ziesack, Pamela A. Silver, Daniel G. Nocera, SCIENCE, 3 JUNE 2016 • VOL 352 ISSUE 6290, avec autorisation.

Fig.2. Schéma du système hybride biologique et électrochimique
Dans ce réacteur, la décomposition de l’eau produit du H2 , source d’énergie intermédiaire qui est oxydé par des enzymes hydrogénases (H2ases) pour alimenter R. eutropha. Cette bactérie va assimiler le CO2 pour produire selon un cycle dit de Calvin de la biomasse et divers composés organiques :PHB: poly(3-hydroxybutyrate); C3: isopropanol; C4: isobutanol; C5: 3-methyl-1-butanol.
Le système biocompatible de décomposition de l’eau minimise la production des espèces chimiques oxygénées (ECO) et fixe le Co2+ dégagé à la cathode sur l’anode Co-Pi .
Adapté de Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies
exceeding photosynthesis, Chong Liu, Brendan C. Colón, Marika Ziesack,
Pamela A. Silver, Daniel G. Nocera,
SCIENCE, 3 JUNE 2016 • VOL 352 ISSUE 6290, avec autorisation.

La modification génétique de R. eutropha   permet  la production renouvelable d’une série de  produits de fixation de CO2 :

un bioplastique, le PHB: poly(3-hydroxybutyrate) ;  des alcools, l’isopropanol (noté C3),  l’isobutanol (C4) et le 3-methyl-1-butanol (C5)

Avec des souches de bactéries spécifiquement modifiées, le processus  qui conduit au PHB peut être transformé pour ne fournir que  les alcools C3, C4 ou C5 .

Une souche modifiée pour fournir l’isopropanol C3 le produit avec un rendement (rapport du surplus d’énergie stockée dans le produit à l’énergie électrique consommée) η1= 31% pris sur une moyenne de 6 jours. Celle modifiée pour les alcools C4 + C5 les produit avec un η1 = 16% en moyenne sur 6 jours.

η1 = (surplus d’énergie stockée dans les produits organiques par rapport à l’énergie déjà contenue dans le CO2 fixé) /( énergie électrique consommée )

 

Si on alimente en électricité le réacteur avec  un système photovoltaïque  dont le rendement typique peut être ηsolaire = 18%, on obtient un rendement total

ηt  = η1 x ηsolaire
 

égal à 9,7% pour la biomasse, 7,6 % pour le bioplastique PHB et 7,1% pour les alcools.

Si on multiplie par 10 le volume du réacteur, ces rendements subsistent. On pourra donc avec ce procédé réaliser à grande échelle une photosynthèse artificielle fixant le CO2 avec un rendement bien au-delà de celui des plantes.

 

 

Pour en savoir plus :

Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis

Chong Liu, Brendan C. Colón, Marika Ziesack, Pamela A. Silver, Daniel G. Nocera,

SCIENCE, 3 JUNE 2016 • VOL 352 ISSUE 6290

 

 

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