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Vous avez jeté quelque chose de précieux dans les toilettes aujourd'hui.
Les composés organiques présents dans les eaux usées domestiques et industrielles constituent une source potentielle importante d’énergie, de bioplastiques et même de protéines pour l’alimentation animale. Toutefois, en l’absence de méthode d’extraction efficace, les usines de traitement les rejettent comme contaminants. Les chercheurs ont maintenant trouvé une solution écologique et rentable.
Publié dans Frontières en recherche énergétique, leur étude est la première à montrer que les bactéries phototrophes pourpres – qui peuvent stocker de l’énergie de la lumière – alimentées avec un courant électrique peuvent récupérer près de 100% du carbone provenant de tout type de déchets organiques, tout en générant de l’hydrogène gazeux pour la production d’électricité.
"Les émissions de carbone sont l’un des problèmes les plus importants des stations de traitement des eaux usées actuelles", déclare le co-auteur, Daniel Puyol, de l’Université King Juan Carlos, en Espagne. "Notre processus de bioraffinerie à base de lumière pourrait fournir un moyen de récolter de l'énergie verte à partir des eaux usées, sans empreinte carbone."
Bactérie photosynthétique pourpre
En ce qui concerne la photosynthèse, les porcs verts sont à l'honneur. Mais lorsque la chlorophylle se retire du feuillage automnal, elle laisse derrière elle ses cousins jaune, orange et rouge. En fait, les pigments photosynthétiques sont de toutes les couleurs et de tous les organismes.
Signalez les bactéries phototrophes violettes. Ils capturent l'énergie de la lumière du soleil en utilisant une variété de pigments, qui leur donne une teinte orange, rouge ou marron – ainsi que pourpre. Mais c’est la polyvalence de leur métabolisme, et non leur couleur, qui les rend si intéressants pour les scientifiques.
"Les bactéries phototrophes pourpres constituent un outil idéal pour la récupération des ressources des déchets organiques, grâce à leur métabolisme très diversifié", explique Puyol.
Les bactéries peuvent utiliser des molécules organiques et de l'azote gazeux – au lieu de CO2 et H2O – pour fournir du carbone, des électrons et de l'azote pour la photosynthèse. Cela signifie qu'elles se développent plus rapidement que les bactéries et les algues phototrophes alternatives et qu'elles peuvent générer de l'hydrogène, des protéines ou un type de polyester biodégradable en tant que sous-produits du métabolisme.
Réglage du débit métabolique avec de l'électricité
Le produit métabolique prédominant dépend des conditions environnementales de la bactérie – telles que l'intensité de la lumière, la température et les types de substances organiques et de nutriments disponibles.
"Notre groupe manipule ces conditions pour adapter le métabolisme des bactéries violettes à différentes applications, en fonction de la source de déchets organiques et des exigences du marché", a déclaré le co-auteur, le professeur Abraham Esteve-Núñez de l'Université d'Alcalá, en Espagne.
"Mais ce qui est unique dans notre approche est l'utilisation d'un courant électrique externe pour optimiser la production de bactéries violettes."
Ce concept, appelé "système bioélectrochimique", fonctionne parce que les diverses voies métaboliques des bactéries pourpres sont connectées par une monnaie commune: les électrons. Par exemple, un apport d'électrons est nécessaire pour capter l'énergie lumineuse, tandis que transformer l'azote en ammoniac libère les électrons en excès, qui doivent être dissipés. En optimisant le flux d'électrons au sein des bactéries, un courant électrique – fourni via des électrodes positives et négatives, comme dans une batterie – peut délimiter ces processus et maximiser le taux de synthèse.
Biocarburant maximum, empreinte carbone minimale
Dans leur dernière étude, le groupe a analysé les conditions optimales pour maximiser la production d'hydrogène par un mélange d'espèces de bactéries phototrophes pourpres. Ils ont également testé l'effet d'un courant négatif, c'est-à-dire des électrons fournis par des électrodes métalliques dans le milieu de croissance, sur le comportement métabolique de la bactérie.
Leur première constatation clé est que le mélange de nutriments à l'origine du taux de production d'hydrogène le plus élevé minimise également la production de CO2.
"Cela démontre que les bactéries pourpres peuvent être utilisées pour récupérer un biocarburant précieux à partir de matières organiques généralement présentes dans les eaux usées – l'acide malique et le glutamate de sodium – avec une faible empreinte carbone", rapporte Esteve-Núñez.
Les résultats obtenus avec des électrodes ont été encore plus frappants: ils ont démontré pour la première fois que les bactéries violettes sont capables d’utiliser les électrons d’une électrode négative ou "cathode" pour capturer le CO2 via la photosynthèse.
"Les enregistrements de notre système bioélectrochimique ont montré une interaction claire entre la bactérie violette et les électrodes: la polarisation négative de l'électrode a entraîné une consommation détectable d'électrons, associée à une réduction de la production de dioxyde de carbone.
"Cela indique que les bactéries pourpres utilisaient des électrons de la cathode pour capturer plus de carbone de composés organiques via la photosynthèse, de sorte que moins de CO2 est libéré."
Vers des systèmes bioélectrochimiques pour la production d'hydrogène
Selon les auteurs, il s'agissait de la première utilisation déclarée de cultures mixtes de bactéries pourpres dans un système bioélectrochimique – et de la première démonstration d'un métabolisme à décalage de phototrophe dû à une interaction avec une cathode.
La capture de l'excès de CO2 produit par les bactéries violettes pourrait être utile non seulement pour réduire les émissions de carbone, mais également pour raffiner le biogaz issu de déchets organiques et l'utiliser comme carburant.
Puyol admet toutefois que le véritable objectif du groupe se situe plus loin.
«L’un des objectifs initiaux de l’étude était d’accroître la production de biohydrogène en donnant des électrons de la cathode au métabolisme de la bactérie violette. Cependant, il semble que la bactérie PPB préfère utiliser ces électrons pour fixer le CO2 au lieu de créer de l’H2.
"Nous avons récemment obtenu des fonds pour poursuivre cet objectif grâce à des recherches plus poussées et nous y travaillerons dans les années à venir. Restez à l'écoute pour un meilleur ajustement métabolique."
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La recherche fait partie d'une collection d'articles spéciaux sur l'utilisation de microbes pour la capture de CO2 et la production de biocarburants:
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