Des bactéries sur mesure pour nettoyer les eaux usées tout en produisant de l’énergie

S’appuyant sur des travaux antérieurs similaires, une équipe de recherche a créé une nouvelle souche bactérienne qui digère les eaux usées encore plus rapidement et génère un courant électrique plus puissant.

Par Sarah DeWeerdt (Opens in a new window)

Selon une nouvelle étude, une forme génétiquement modifiée et nano-usinée d’une bactérie commune peut absorber des composés contenant du carbone, comme ceux que l’on trouve dans les eaux usées, et produire ainsi des quantités impressionnantes d’électricité.

Il s’agit du développement le plus récent dans une série (Opens in a new window) d’efforts visant à exploiter (Opens in a new window) le pouvoir des microbes afin de concilier les objectifs de production d’électricité renouvelable et de dépollution des eaux usées de manière durable.

« Les piles à combustible microbiennes sont une technologie émergente permettant aux contaminants de se dégrader et de produire de l’électricité simultanément avec l’aide de micro-organismes, explique une équipe de recherche de l’Université normale du Henan à Xinxiang, en Chine, dans la revue Nature Sustainability. Cependant, leur mise en œuvre pratique continue de poser des défis importants. » Les moyens actuels pour catalyser ce processus ont notamment tendance à être coûteux ou lents.

C’est ici qu’intervient Escherichia coli, l’une des espèces de bactéries les plus étudiées au monde, qui vit normalement dans les intestins de l’homme et d’autres animaux. Dans le cadre de la nouvelle étude, l’équipe a d’abord fait appel au génie génétique pour stimuler la production de cytochrome c chez E. coli. Il s’agit d’une protéine présente dans la membrane cellulaire qui participe à l’équilibre énergétique de la cellule en catalysant les réactions d’oxydation et de réduction – réactions qui, à leur tour, sont la clé de la production d’électricité dans les piles à combustible microbiennes. Voilà qui résout le problème de la lenteur.

L’équipe a ensuite utilisé des techniques de nano-ingénierie pour recouvrir les bactéries de particules de polypyrrole, un polymère conducteur d’électricité, comme si l’on roulait un beignet microscopique dans des miettes de pain encore plus fines.

Enfin, elle a fabriqué des piles à combustible semblables à des batteries (Opens in a new window) en utilisant le charbon de platine offert sur le marché pour l’électrode négative, et l’E. coli modifiée pour l’électrode positive. (Les « miettes de pain » en polypyrrole aident la bactérie à adhérer à l’électrode, ce qui améliore le transfert d’électricité dans la pile à combustible). La puissance produite est « comparable à celle des piles à biocarburant à haute performance qu’on connaît actuellement », indique l’équipe.

Les E. coli génétiquement modifiées et nano-usinées engloutissent les composés organiques contenant du carbone dans les eaux usées plus rapidement que d’autres types de bactéries utilisées par le passé dans des expériences de piles à combustible microbiennes. Elles créent également un courant électrique plus puissant que les E. coli standards ou modifiés sans nano-revêtement.

Le nano-revêtement n’a aucune incidence sur la viabilité ou la reproduction des bactéries, de sorte que les E. coli peuvent continuer à produire de l’électricité tant qu’elles n’épuisent pas leur source de nourriture. Dans l’étude actuelle, « les catalyseurs microbiens ont une durée de vie exceptionnelle de plus de 80 [heures] avec une faible atténuation du courant », rapporte l’équipe de recherche.

Les bactéries avaient consommé tous les nutriments de leur milieu au bout de 100 heures d’expérience, mais « la production d’énergie a rapidement retrouvé sa valeur initiale » dès que la source de nourriture a été réapprovisionnée. Dans le monde réel, bien sûr, l’approvisionnement en eaux usées chargées de nutriments est plus ou moins renouvelable à l’infini.

« Cette étude fournit non seulement une nouvelle orientation pour la conception de catalyseurs microbiens durables, mais elle propose également une technologie viable pour le traitement des eaux usées et la production d’énergie », fait valoir l’équipe de recherche.

Source : Niu Y. et coll. Sustainable power generation from sewage with engineered microorganisms as electrocatalysts (Opens in a new window). Nature Sustainability, 2024.

Article original en anglais : https://www.anthropocenemagazine.org/2024/07/designer-bacteria-clean-wastewater-and-generate-power-at-the-same-time/ (Opens in a new window)

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Anthropocène est la version française d’Anthropocene Magazine (Opens in a new window). La traduction française des articles est réalisée par le Service de traduction de l’Université Concordia (Opens in a new window), la Durabilité à l’Ère Numérique (Opens in a new window) et le pôle canadien de Future Earth (Opens in a new window).