l’heure du changement climatique, la recherche sur les nouveaux types d’énergies renouvelables bat son square. La diminution des ressources fossiles ainsi que l’augmentation du prix des carburants incitent à la diversification énergétique.
Plusieurs équipes internationales et françaises travaillent au développement de nouveaux dispositifs. Parmi eux, une innovation peu connue : la « pile microbienne », ou « pile à bactérie », qui utilise des bactéries pour dégrader des composés organiques et récolter un courant électrique. Le dispositif présentait l’avantage d’être peu onéreux et de pouvoir utiliser des eaux usées comme combustibles. Il permet aussi, une fois optimisé, le limiteur d’utilisation de piles chimiques contenant des produits toxiques pour l’environnement. Ces piles à bactérie fournissent de faibles puissances, et permettront par exemple d’alimenter des LED ou des capteurs de température.
Cette technologie fait l’objet de recherche depuis le début des années 2000 après la découverte de bactéries très spéciales capables de transférer des électrons à des surfaces solides conductrices. La production électrique pourrait être couplée à d’autres fonctions de cette pile : le traitement d’eaux usées par exemple, en diminuant leur charge organique, mais aussi la décontamination en polluants d’eaux riches en pesticides, ou encore la synthèse de molécules ‘ intérêts comme le phosphate, intéressants pour l’agriculture.
Toby Call, Département d’ingénierie, Université de Cambridge, Flickr, CC BY-NC-ND
Mais pour améliorer cette technologie, il est notammenécessaire d’identifier des bactéries capables de vivre dans les conditions très particulières de la pile à bactérie : absence d’oxygène, pH neutre, conductivité élevée… à des milieux très salés, qui permetent aux ions, et donc au courant électrique, le bien circulaire.
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La mangrove martiniquaise, environnement source de bactéries électroactives
Les chercheurs du Laboratoire des matériaux et molécules en milieu agressif (L3MA) évaluent le potentiel du tas microbienne d’un environnement privé : la mangrove.
La mangrove est un environnement humide tropical, un écosystème très Privé présent et la Martinique et dans les littoraux des régions tropicales en général. La forêt de mangrove joue un rôle très important pour les territoires comme la Martinique : en plus de leur fonction nourricière et d’habitat pour nombre d’espèces animales, elles constituant également une barrière naturelle protectrice de l’île limitant l’érosion des par exemple et le protégeant des catastrophes naturelles.
La mangrove présente des conditions idéales pour la croissance de bactéries uniques… et contient des espèces électroactives qui peuvent être utilisées dans les piles à bactéries. Les salinités y sont très importantes en raison de l’entrée de l’eau de mer, et les communautés bactériennes qui y vivent sont adaptées à ces concentrations importantes.
Certaines bactéries peuvent transférer des électrons à des métaux
Une bactérie « électroactive » est capable d’extraire les électrons dont elle a besoin pour respirer (c’est-à-dire transformer du dioxygène dissous dans l’eau, lieu de vie des bactéries, en dioxyde de carbone) à partir d’ un matériau conducteur solide comme du fer ou du manganèse présent dans son environnement, grâce à ce que l’on appelle le « transfert électronique extracellulaire ».
Ainsi, la bactérie Geobacter metalireducens a été découverte en 1987 dans le lit sédimentaire de la rivière Potomac, aux États-Unis. Cette bactérie utilise des poils sur sa surface pour « respirer » des oxydes de fer (hématites) présents dans son milieu de vie.
Les bactéries électroactives peuvent aussi bien extraire des électrons de matériaux solides qu’en fournissent à ces mêmes matériaux.
Le fonctionnement de la pile microbienne
La « pile à combustible microbienne » est un dispositif capable de convertir directement l’énergie chimique contenue dans des composés organiques en énergie électrique, grâce au travail des bactéries électroactives.
Paule Salvin, Fourni par l’auteur
Son schéma le plus classique prévoit deux compartiments séparés par une membrane, qui permet d’échanger les ions entre les compartiments. Dans le compartiment anodique de la pile, les composés organiques sont dégradés par les bactéries pour récolter les électrons qui sont ensuite transférés à l’anode solide. Un flux d’électrons est alors possible dans le circuit électrique dépendant de l’anode à la cathode : c’est le courant électrique que l’on pourra utiliser.
Pour équilibrer le flux de charge électrique, les protons migrent de la borne « moins » à la borne « plus » et traversant la membrane échangeuse de protons.
Dans l’exemple présenté ici, les deux électrodes de la pile sont dites « biologiques », car elles sont couvertes par des biofilms bactériens : agrégats de bactéries électroactives adhérées à la surface des électrodes dans etelle engluées à base des etelle engluées sur secrétée. Les biofilms des deux électrodes peuvent être composés des mêmes bactéries ou des communautés distinctes. En effet, certaines bactéries sont préférentiellement actives sur une anode alors que d’autres préfèrent le fonctionnement cathodique.
L3MA, Fourni par l’auteur
L’atout majeur de cette pile électrochimique réside dans le contrôle des réactions chimiques par les bactéries. Mais ce n’est pas son seul atout. En effet, on peut aussi grâce à cette pile éviter l’utilisation de produits chimiques toxiques ou agressifs pour l’environnement, comme c’est le cas dans les piles chimiques classiques. Le fait, il existe de nombreuses sources contenant tous les éléments nécessaires au fonctionnement des piles microbiennes et on retrouve des bactéries électroactives dans les eaux de mer, les sédiments marins ou de rivière, les syllesème, les estellesème usées industries souris, les plaques dentaires…
On peut alimenter les bactéries de la pile – et donc la pile – grâce à des substrats organiques simples comme de l’acétate ou encore du glucose, ou plus d’autres plus complexes comme des effluents domestiques ou industriels, par exemple. Tout ceci envisage de prévoir ces dispositifs à moindre coût.
La pile à combustible microbienne n’a pas encore montré tout son puissant. En effet, pour optimiser les échanges électroniques des bactéries et ainsi booster les performances des piles, il sera nécessaire de mieux comprendre ces mécanismes.
Le plus, les bactéries électroactives découvertes peuvent être impliquées dans d’autres processus, et aider à produire des molécules d’intérêt, comme le phosphate, le méthane ou encore l’hydrogène. Ainsi, dans l’avenir, pourraient être proposées des solutions d’alimentation et d’énergie utilisant les déchets – eaux domestiques ou industrielles – qui permettront un cercle plus vertueux de consommation.