Biodiversidées

Les êtres vivants produisent de l'électricité

Comme tout être vivant, les bactéries puisent leur énergie dans la respiration cellulaire. Il s'agit d'oxyder les nutriments en présence d'un accepteur d'électrons (dans le cas de l'homme, le glucose est oxydé en présence de dioxygène O₂). La respiration permet de récupérer l'énergie chimique des nutriments pour la convertir en ATP, une molécule qui met cette énergie à disposition des processus métaboliques. D'un point de vue chimique, la respiration cellulaire n'est autre qu'une cascade de réactions d'oxydoréduction, des réactions de transfert d'électrons d'une molécule à une autre. Or l'électricité est justement un flux d'électron. Tout l'enjeu de la pile à bactérie réside donc dans la récupération de ce potentiel électrochimique biologique.

Il existe plusieurs sortes de respiration cellulaires dépendant du type de bactérie. Les bactéries aérobies vivent dans des milieux très aérés et utilisent l'oxygène O₂ de l'air comme accepteur d'électron. Les bactéries vivant dans des milieux pauvres ou exempts d'oxygène sont dites anaérobies et utilisent des composés solubles comme accepteurs d'électrons (sulfates, nitrates, CO₂, fumarate...). Enfin, il existe des bactéries spéciales, appelées exoelectrogènes, qui ont la capacité de donner leur électron final à un conducteur solide. Cette particularité a permis la conception de piles à bactéries d'efficacité prometteuses.

Les piles à bactéries pour récupérer un potentiel électrique produit biologiquement

D'un point de vue global, les piles à bactéries fonctionnent comme n'importe quelle pile et se rapprochent beaucoup des piles à combustible (cf. figure 1). Deux compartiments sont séparés par une membrane échangeuse d'ions (qui ne laisse passer qu'une catégorie d'entités chargées). D'un côté, une réaction d'oxydation fournit des électrons e^- à l'anode et des cations (entités chargées positivement, H⁺ dans le cas de la pile à combustible) dans le milieu. Dans l'autre compartiment, sur la cathode, une réduction consomme ces électrons et ces cations. Ceci génère un flux de cations traversant la membrane dans le milieu aqueux, ainsi qu'un flux d'électrons dans le matériau conducteur reliant l'anode et la cathode : du courant électrique.

Dans une pile à bactéries (cf. figure 2), l'anode, colonisée par des bactéries exoelectrogènes, est plongée dans un compartiment alimenté en un substrat organique, en milieu strictement anaérobique (absence totale de dioxygène). En respirant, ces bactéries consomment le substrat et produisent du CO₂, un proton H⁺ et un électron e-. Elles cèdent ce dernier à l'anode. Il parcourt alors le matériau conducteur pour rejoindre la cathode, laquelle plonge dans un second compartiment contenant un milieu oxygéné. En parallèle, le proton rejoint également la cathode à travers une membrane échangeuse d'ions. Enfin, sur la cathode, l'électron et le proton réagissent avec O₂ pour former de l'eau. C'est ainsi qu'est généré le courant électrique.

L'intérêt des bactéries dans ce processus réside dans la respiration cellulaire. Celle-ci catalyse la réaction d'oxydation et favorise le mouvement des électrons. L'oxydation du substrat en l'absence de bactéries est possible, mais suivant une réaction extrêmement lente. Grâce à l'action des bactéries, il est possible de récupérer, sous forme d'électricité, l'énergie chimique contenue dans la matière organique, telle que le sucre, l'amidon, la cellulose, ou encore les eaux usées.

Une technologie au fort potentiel à développer

Dans les stations d'épuration, des bactéries sont utilisées pour décomposer la matière organique contenue dans les eaux usées. Les conditions dans lesquelles ce procédé se déroule est totalement compatible avec la mise en place d'une pile à bactérie : milieu anaérobie, bactéries exoelectrogènes, substrat riche en énergie chimique... D'après des estimations basées sur les performances actuelles de la technologie, une pile à bactérie alimentée par un flux continu d'eaux usées pourrait produire jusqu'à 15,5 watts par mètre cube d'effluent. Pour une station d'épuration alimentée par 100 000 personnes, cela représenterait une production de 0,8 megawatt, soit la consommation électrique de 500 foyers. Cependant, de nombreux verrous technologiques subsistent, tels que la grande surface de l'électrode nécessaire une telle installation (les bactéries doivent être en contact direct avec l'anode), ou encore l'optimisation des flux transportant les nutriments vers les bactéries.

Plutôt que d'alimenter les piles à bactéries avec des substrats issus de l'activité humaine, d'autres recherches se tournent vers l'utilisation de la lumière du soleil comme source d'énergie. Des piles à bactéries ont été mises au point, alimentées par un système de symbiose entre bactéries et végétaux. Il est également possible d'imaginer des piles à bactéries photosynthétiques, utilisant la photosynthèse comme mécanisme de respiration cellulaire.

Un autre exemple d'application est envisagé pour les milieux marins. La pile à bactérie pourrait fournir en énergie de petites unités autonomes, par exemple des équipements de surveillance. L'anode serait enterrée sous les sédiments marins tandis que la cathode reposerait à la surface du sol.

Le potentiel de cette technologie est considérable, bien que d'importantes optimisations et un gros effort de recherche sont encore nécessaires pour que les piles à bactéries puissent voir le jour à grande échelle. Vous souhaitez faire le test vous-même ? Vous avez le choix entre des kit disponibles sur le marché ou les solutions DIY !