À l’heure du changement climatique, la recherche sur de nouveaux types d’énergies renouvelables bat son plein. La diminution des ressources fossiles ainsi que l’augmentation des 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. Ce dispositif présenterait l’avantage d’être peu onéreux et de pouvoir utiliser des eaux usées comme combustible. Il permettrait aussi, une fois optimisé, de limiter l’utilisation de piles chimiques contenant des produits toxiques pour l’environnement. Ces piles à bactérie fournissent de faibles puissances, et permettraient par exemple d’alimenter des LED ou des capteurs de température.
Cette technologie fait véritablement 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 d’intérêts comme le phosphate, intéressant pour l’agriculture.
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… Un des enjeux est de trouver des bactéries qui sont adaptées à des milieux très salés, qui permettent aux ions, et donc au courant électrique, de bien circuler.
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La mangrove martiniquaise, milieu source de bactéries électroactives
Les chercheurs du Laboratoire des matériaux et molécules en milieu agressif (L3MA) évaluent le potentiel pour la pile microbienne d’un environnement particulier : la mangrove.
La mangrove est un environnement humide tropical, un écosystème très particulier présent en 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 constituent également une barrière naturelle protectrice de l’île limitant l’érosion des côtes par exemple et la protégeant des catastrophes naturelles.
La mangrove présente des conditions idéales pour la croissance de bactéries uniques… et contient des espèces bactériennes électroactives qui peuvent être utilisée 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 metallireducens 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 fournir 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.
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 reliant 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 » en 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 et engluées dans une substance à base de polymères qu’elles ont sécrétée. Les biofilms des deux électrodes peuvent être composés des mêmes bactéries ou de communautés distinctes. En effet, certaines bactéries sont préférentiellement actives sur une anode alors que d’autres préféreront le fonctionnement cathodique.
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. De 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 eaux usées domestiques ou industrielles, le système digestif humain ou de 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 permettrait de concevoir ces dispositifs à moindre coût.
La pile à combustible microbienne n’a pas encore montré tout son potentiel. En effet, pour optimiser les échanges électroniques des bactéries et ainsi booster les performances des piles, il sera nécessaire de mieux comprendre ces mécanismes.
De 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 en énergie utilisant les déchets – eaux usées domestiques ou industrielles – qui permettraient un cercle plus vertueux de consommation.