Systèmes électro-microbiens : d'un concept technologique vers la découverte d'un processus biogéochimique ? - Alain Bergel - 19 janvier 2015

Alain Bergel - Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse - ENSIACET

Lundi 19 janvier 2015 à 14 h

IMPMC, Université P. et M. Curie, 4, Place Jussieu, 75005 Paris

Salle de conférence, 4e étage, Tour 22-23, Salle 1

Résumé

Il y a à peine 15 ans qu’a été découverte la capacité de certains micro-organismes d’échanger des électrons avec des électrodes [1]. Les premières études ont montré que certaines bactéries possèdent des composés redox membranaires qui assurent le transfert des électrons du cytoplasme vers l’électrode. Ce mécanisme requiert un contact direct entre cellules bactériennes et surface de l’électrode et ne peut donc s’appliquer qu’à des cellules adsorbées à la surface de l’électrode. Deux autres mécanismes permettent des transferts d’électrons distants : soit les bactéries produisent des composés redox extracellulaires qui assurent le rôle de médiateurs électrochimiques en diffusant entre cellules et électrode, soit elles utilisent des pili qui jouent le rôle de nano-fils électriques [2].

Certains chercheurs affirment que ces pili possèdent de réelles propriétés de conducteur métallique [3], d’autres les considèrent comme des guides qui alignent des molécules de cytochromes entre lesquelles les électrons circulent par « hopping » [4]. Il a récemment été montré que les pili revêtent en fait des aspects différents suivant les espèces microbiennes [5]. Ces découvertes font maintenant percevoir les biofilms microbiennes comme des réseaux de transfert extracellulaire d’électrons qui assurent aux bactéries des possibilités de respiration collective sur de longues distances.

Ces avancées résultent essentiellement de recherches à objectifs technologiques destinées à concevoir de nouveaux procédés de production d’énergie tels que les piles à combustibles microbiennes ou les électrolyseurs microbiens. A partir de ces deux technologies pionnières les systèmes électro-microbiennes se sont révélés une plate-forme extrêmement féconde, déclinée en une cinquantaine d’applications différentes [6] dans des secteurs aussi variés que le traitement des effluents, les biocapteurs, la récupération de métaux ou la synthèse de molécules d’intérêt et en particulier pour la valorisation du dioxyde de carbone [7].

Enfin, on s’aperçoit depuis quelques années que ces mécanismes mis en lumière sur des électrodes et développés à des fins technologiques pourraient correspondre à des processus de transfert d’électrons inter-espèces qui régissent des processus biogéochimiques essentiels, comme la production de méthane et plus largement le cycle du carbone [8].

[1] B.H. Kim et al., Electrochemical activity of an Fe(III)-reducing bacterium, Shewanella putrefaciens  IR-1, in the presence of alternative electron acceptors, Biotechnol. Tech.  13 (1999) 475-478 ; L.M.Tender et al., Harnessing microbially generated power on the seafloor, Nature  20 (2002) 821.
[2] G.Reguera etal., Extracellular electron transfer via microbial nanowires, Nature  435 (2005) 1098; Y.A.Gorby et al., Electrically conductive bacterial nanowires produced by Shewanella oneidensis  strain MR-1 and other microorganisms, PNAS  103 (2006) 11358.
[3] N.S.Malvankar et al., Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks, Nature Nanotech.  6 (2011) 573.
[4] S.M.Strycharz-Glaven et al., On the electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms, Energy Environ. Sci.  4 (2011) 43.
[5] S. Pirbadian et al., Shewanella oneidensis  MR-1 nanowires are outer membrane and periplasmic extensions of the extracellular electron transport components, PNAS  35 (2014) 12883-12888.
[6] H. Wang et J. Ren, A comprehensive review of microbila electrochemical systems as a platform technology, Biotechnol. Adv. 31 (2013) 1796-1807.
[7] L. Soussan et al., Electrochemical reduction of CO2  catalysed by Geobacter sulfurreducens  grown on stainless steel cathodes, Electrochem. Commun.  28 (2013) 27-30.
[8] D.R. Lovley, Line wires : direct extracellular electron exchange for bioenergy and the bioremediation of energy-related contamination, Energy Environ. Sci.  4 (2011) 4896-4906.