La feuille synthétique 2.0: à Havard on a pas de pétrole mais le soleil brille pour tout le monde pareil…

Les cellules photovoltaïques ont un potentiel considérable pour satisfaire les besoins futurs en énergie renouvelable, cependant des méthodes efficaces et évolutives de stockage de l’électricité intermittente qu’elles produisent, sont aujourd’hui attendues pour la mise en œuvre, à grande échelle, de l’énergie solaire. Un stockage de cette énergie solaire pourrait passer par la case carburant. Le travail, présenté dans PNAS de février 2015 (Efficient solar-to-fuels production from a hybrid microbial–water-splitting catalyst system), rapporte le développement d’un système bioélectrochimique évolutif, intégré dans lequel la bactérie Ralstonia eutropha est utilisée pour convertir efficacement le CO2, avec l’hydrogène et l’oxygène produits à partir de dissociation de l’eau, en biomasse et alcools (cf. schéma ci-contre). Les systèmes photosynthétiques artificiels peuvent stocker l’énergie solaire et réduire chimiquement le CO2. Le système de fractionnement-biosynthétique hybride est basé sur un système de catalyseur inorganique, relativement abondant sur Terre (nécessairement sinon écologiquement ce ne serait pas terrible, avouons le…), biocompatible pour séparer l’eau en hydrogène et oxygène à des tensions basses. Lorsqu’elle est cultivée en contact avec ces catalyseurs, Ralstonia eutropha consomme le H2 produit pour synthétiser de la biomasse et des carburants voire d’autres produits chimiques, à partir de faible concentration de CO2 – sous entendu à des concentrations voisines de celles présentes dans l’air. Ce système évolutif a une efficacité énergétique de réduction de CO2 d’ ~ 50% lors de la production de la biomasse bactérienne et d’alcools. Ce dispositif hybride couplé à des systèmes photovoltaïques existants donnerait une efficacité énergétique de réduction des émissions de CO2 d’environ 10%, supérieure à celle des systèmes photosynthétiques naturels ! Nous en conviendrons la bactérie utilisée ici est génétiquement modifiée afin d’orienter son métabolisme vers une voie anabolique d’intérêt.

Ces travaux ouvrent la voie vers la « photosynthèse de synthèse ». Dans cette configuration intégrée, les rendements du solaire à la biomasse vont jusqu’à 3,2% du maximum thermodynamique pour dépasser celle de la plupart des plantes terrestres. En outre, l’ingénierie de R. eutropha a permis la production d’isopropanol jusqu’à 216 mg/L, le plus haut rendement jamais rapporté (> 300 %). Ce travail démontre que les catalyseurs d’origine biotique et abiotique peuvent être interfacés, intégrés… pour permettre à partir de l’énergie solaire, du CO2 et de quelques bactéries de développer des systèmes efficaces stockant une énergie intermittente sous forme de molécules organiques (le biomimétisme est la vraie tendance du moment).

Dans cette première version (celle du PNAS) l’électrode utilisée en nickel-molybdène-zinc s’est avérée toxique pour les bactéries qui voyaient leur ADN attaqué… dans cette version améliorée publiée dans Science (3 juin 2016), l’électrode toxique a été changée par une autre composée de cobalt-phosphore… Selon Daniel Nocera, le promoteur de l’étude : « Cela nous a permis d’abaisser la tension conduisant à une augmentation spectaculaire de l’efficacité. »

Nocera et ses collègues ont également été en mesure d’élargir la gamme de produits q’un tel système est capable de synthétiser pour y inclure l’isobutanol (un solvant) et l’isopentane (utilisé dans des boucle fermée pour actionner des turbines), ainsi que le PHB (un précurseur de bioplastiques). La conception chimique du nouveau catalyseur permet également une certaine « auto-régénération, » ce qui signifie que l’électrode ne sera pas lessivée au fur et à mesure de son activité.