Produire du biocarburant par les microorganismes (I)

Le monde des microalgues et des cyanobactéries constitue un formidable réservoir de biodiversité à peine exploré : sur un million d’espèces estimées environ 30 000 sont décrites. Or, il existe un potentiel considérable, et quasi inexploité, de production de bioénergie par l’action de ces microorganismes photosynthétiques.

En effet, certains d’entre eux ont la capacité de produire des composés d’intérêt énergétique comme les lipides (source de biodiese 1) ou l’hydrogène (pour utilisation dans des piles à combustible et enrichissement de la biomasse).

Leur utilisation permet d’envisager le développement de procédés innovants de production de biocarburants respectueux de l’environnement et n’entrant pas en compétition avec la production alimentaire.

La photosynthèse

Certains microorganismes utilisent la photosynthèse pour convertir l’énergie solaire en énergie chimique et fabriquer, à partir de dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique, les molécules carbonées qui composent le vivant. Il s’agit là de l’origine de la biomasse. Pour transformer le dioxyde de carbone en biomasse, il faut le réduire1, c’est-à-dire lui apporter des électrons.

Dans les organismes photosynthétiques, l’énergie solaire, sous forme de photons, est absorbée par la chlorophylle, un pigment vert situé dans la membrane des chloroplastes (2). L’énergie ainsi captée est transportée jusqu’à des centres réactionnels (3) qui effectuent une séparation de charges libérant des protons et des électrons, servant à réduire le CO2 atmosphérique pour permettre la synthèse de molécules carbonées.

C’est le centre réactionnel appelé photosystème II (PS II) qui est responsable de la séparation de charges initiale. Ce processus est couplé, au sein même du PSII, à une première réaction catalytique, l’oxydation de l’eau, qui permet de prélever les électrons nécessaires sur les molécules d’eau. Elle se traduit par un dégagement concomitant d’oxygène.

Les électrons ainsi photo-générés sont ensuite utilisés pour produire la biomasse à partir de CO2, selon une cascade de réactions, elles-aussi catalysées par des enzymes.

La production d’hydrogène

En parallèle de la production de biomasse à partir de CO2, certains microorganismes ont également la capacité de réduire des protons, toujours à l’aide des électrons libérés lors de l’oxydation de l’eau, pour donner de l’hydrogène. Cette réaction nécessite un couplage étroit entre la photosynthèse et une enzyme appelée hydrogénase.

De nombreux systèmes bactériens contiennent cette enzyme qui leur permet soit d’utiliser l’hydrogène, présent à l’état de trace dans le milieu naturel, comme source d’énergie, soit de le produire par réduction de l’eau comme un sous-produit de leur métabolisme. Ce processus est extrêmement efficace dans des milieux anaérobies (sans oxygène). Mais, lorsqu’il est couplé à la photosynthèse, il devient transitoire et ne dure que quelques minutes car il constitue une sorte de soupape de sécurité pour l’organisme soumis à certaines conditions de stress, comme une illumination soudaine en absence d’oxygène.

[ Photo 1 : Chlamydomonas vue par microscopie à fluorescence ]

1 Une réaction d’oxydo-réduction est une réaction chimique au cours de laquelle se produit un transfert d’électrons. L’espèce chimique qui capte les électrons est dite réduite ; celle qui les cède, oxydée.

2 Chloroplaste : structure cellulaire, siège de la photosynthèse chez les végétaux.

3 Centre réactionnel : le centre réactionnel d’un photosystème est la partie dans laquelle se produit la réaction de séparation de charge d’une chlorophylle excitée.

Cette publication est issue du CEA. Le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives demeure engagé dans des projets de biocarburants de 2ème génération (BioTfuel et Syndiese), et dans une recherche plus fondamentale consacrée à la 3e génération, qui permettra de s’affranchir d’une occupation des sols dédiée à la culture de la biomasse.