La comparaison de la structure des écosystèmes microbiens marins et de la batterie océanique bionique miniaturisée. Les deux systèmes possèdent la même structure physique (couche de colonne d'eau et couche de sédiments) et la même structure écologique (producteurs primaires, dégradeurs primaires et consommateurs finaux). Les écosystèmes microbiens marins sont énormes avec une profondeur moyenne supérieure à 4000 m, tandis que la batterie océanique bionique miniaturisée a été compactée dans un vaisseau d'une profondeur de 5 cm, accélérant ainsi le flux d'électrons en raccourcissant la distance de transfert d'électrons. Dans les écosystèmes microbiens marins, en particulier dans les sédiments anaérobies, les espèces microbiennes très diversifiées et leurs interactions complexes font que le flux d'électrons est dispersé dans divers processus biogéochimiques à médiation microbienne, c'est-à-dire des cycles élémentaires. En revanche, la batterie océanique bionique miniaturisée fabriquée à l'aide de la communauté synthétique ne contient que quatre espèces microbiennes reliées par des vecteurs énergétiques spécifiques. Cette structure simplifiée dirige de manière ciblée les électrons vers la seule cible, c'est-à-dire le courant électrique. Crédit :Nature Communications (2022). DOI :10.1038/s41467-022-33358-x
Les chercheurs de l'Institut de microbiologie de l'Académie chinoise des sciences ont mis au point une batterie océanique bionique miniaturisée, une cellule biosolaire qui convertit la lumière en électricité, en imitant la structure écologique de base des écosystèmes microbiens marins. Cette étude a été publiée dans Nature Communications .
Les océans couvrent environ 70 % de la surface de la Terre. Du point de vue de l'énergie, les écosystèmes marins sont un énorme système de bioconversion de l'énergie solaire dans lequel les micro-organismes dominent les processus de conversion de l'énergie.
La conversion d'énergie dans les écosystèmes marins commence par la photosynthèse. Les micro-organismes photosynthétiques, appelés producteurs primaires, situés dans la zone euphotique de la colonne d'eau, absorbent l'énergie solaire et convertissent les photons en électrons qui servent à fixer le dioxyde de carbone en matière organique. La matière organique est en partie consommée par le plancton vivant dans la colonne d'eau et en partie déposée dans les sédiments marins où des micro-organismes anaérobies facultatifs ou strictement anaérobies minéralisent la matière organique complexe en dioxyde de carbone par oxydation successive.
Les micro-organismes présents dans les sédiments marins peuvent être divisés en deux groupes. Un groupe, appelé dégradeurs primaires, est responsable de la dégradation de la matière organique complexe en composés organiques simples; l'autre groupe, appelé consommateurs ultimes, est responsable de l'oxydation complète de composés organiques simples, libérant des électrons pour la réduction biologique d'éléments tels que l'azote, le fer, le manganèse et le soufre. Grâce à la fixation photosynthétique du carbone et à la minéralisation de la matière organique, les écosystèmes microbiens marins utilisent l'énergie solaire pour piloter les cycles biogéochimiques.
Vus de l'espace extra-atmosphérique, les écosystèmes microbiens marins à fonction de conversion photoélectrique peuvent être considérés comme une immense "océan-batterie" chargée par l'énergie solaire. Cependant, la distribution spatiale et temporelle des micro-organismes dans les écosystèmes marins est énorme et le transfert d'électrons est lent et lent, de sorte que l'efficacité de la conversion photoélectrique est faible. Les chercheurs ont proposé qu'il soit possible de développer une batterie océanique compactée spatio-temporellement avec une efficacité énergétique considérablement améliorée.
Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont extrait la structure de base des écosystèmes microbiens marins. Ils ont conçu et construit une communauté microbienne synthétique composée d'un producteur primaire (cyanobactéries), d'un dégradeur primaire (Escherichia coli) et de consommateurs finaux (Shewanella oneidensis et Geobacter sulfurreducens) pour la conversion biophotoélectrique.
Dans cette communauté microbienne synthétique, les cyanobactéries modifiées sont capables de synthétiser le saccharose à partir du dioxyde de carbone en utilisant l'énergie lumineuse et de stocker l'énergie lumineuse dans le saccharose; l'E. coli modifié est responsable de la dégradation du saccharose en lactate; S. oneidensis et G. sulfurreducens oxydent complètement le lactate en dioxyde de carbone par oxydation successive et transfèrent des électrons aux électrodes extracellulaires pour générer du courant électrique, convertissant ainsi l'énergie lumineuse en électricité.
Les chercheurs ont démontré que la communauté microbienne à quatre espèces surpassait de manière significative la communauté à trois espèces sans G. sulfurreducens et la communauté à deux espèces sans E. coli et G. sulfurreducens en termes de résistance interne, de densité de puissance maximale et de stabilité, indiquant que le maintien la structure écologique complète des écosystèmes microbiens marins est essentielle pour parvenir à une conversion biophotoélectrique efficace. La densité de puissance maximale de cette communauté microbienne de quatre espèces a atteint 1,7 W/m 2 , qui est d'un ordre de grandeur supérieur à celui du système biophotovoltaïque à deux espèces rapporté par les auteurs dans des travaux antérieurs (Zhu et al, Nature Communications , 2019, 10 :4282).
Les chercheurs ont en outre découvert que l'oxygène produit par les cyanobactéries lors de la photosynthèse permettait la respiration aérobie d'E. coli et de S. oneidensis, et que l'oxygène inhibait la production d'électricité par S. oneidensis et le G. sulfurreducens strictement anaérobie, entraînant ainsi un effet négatif sur le performance globale. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont bloqué la voie respiratoire aérobie d'E. coli et de S. oneidensis. Ils ont développé un hydrogel conducteur avec des propriétés de barrière à l'oxygène. L'hydrogel conducteur a été utilisé pour encapsuler E. coli, S. oneidensis et G. sulfurreducens afin de former une couche de sédiments artificiels isolant l'oxygène capable de transfert d'électrons.
En assemblant la couche de sédiments artificiels contenant le dégradeur primaire (E. coli) et les consommateurs finaux (S. oneidensis et G. sulfurreducens) avec une couche de colonne d'eau contenant le producteur primaire (cyanobactéries), les chercheurs ont finalement assemblé une cellule bio-solaire intégrée qui directement convertit la lumière en électricité pendant plus d'un mois.
Cette cellule bio-solaire imite la structure physique de base et la structure écologique de la batterie océanique, avec l'échelle spatio-temporelle considérablement compactée et le nombre d'espèces minimisé, et peut donc être considérée comme une batterie océanique bionique miniaturisée.
Cette étude démontre qu'une communauté microbienne synthétique minimisée en espèces et spatio-temporellement compactée peut reproduire la fonction de conversion photoélectrique des écosystèmes microbiens marins. L'efficacité énergétique de cette batterie océanique bionique est supérieure à celle des écosystèmes marins car elle surmonte le modèle de transfert d'électrons en forme de réseau et lent.
Le développement de la batterie océanique bionique miniaturisée améliore l'efficacité biophotovoltaïque et offre une nouvelle voie pour le développement de cellules biosolaires efficaces et stables. Cette étude démontre également le potentiel biotechnologique de l'écologie synthétique. Des scientifiques développent un nouveau système biophotovoltaïque
