Inspiré d'un processus naturel présent dans certaines bactéries, une équipe de chercheurs de Caltech se rapproche d'une nouvelle méthode de production d'engrais qui pourrait un jour présenter des avantages pour les agriculteurs, en particulier dans les pays en développement, tout en faisant la lumière sur un mystère biologique.

Les engrais sont des sources chimiques de nutriments qui manquent autrement dans le sol. Le plus souvent, les engrais fournissent l'élément azote, qui est essentiel pour tous les êtres vivants, car il s'agit d'un élément fondamental de l'ADN, ARN, et les protéines. L'azote gazeux est très abondant sur Terre, constituant 78 pour cent de notre atmosphère. Cependant, la plupart des organismes ne peuvent pas utiliser l'azote sous sa forme gazeuse.

Pour rendre l'azote utilisable, il doit être "fixe"—transformé en une forme qui peut entrer dans la chaîne alimentaire en tant que nutriment. Il y a deux manières principales qui peuvent arriver, un naturel et un synthétique.

La fixation de l'azote se produit naturellement en raison de l'action des microbes qui vivent dans les nodules sur les racines des plantes. Ces organismes convertissent l'azote en ammoniac grâce à des enzymes spécialisées appelées nitrogénases. L'ammoniac que ces organismes fixateurs d'azote créent fertilise les plantes qui peuvent ensuite être consommées par les animaux, y compris les humains. Dans un article de 2008 paru dans la revue Géosciences de la nature , une équipe de chercheurs a estimé que l'azote naturellement fixé fournit de la nourriture à environ la moitié des personnes vivant sur la planète.

L'autre moitié de l'approvisionnement alimentaire mondial est assurée par la fixation artificielle de l'azote et la principale méthode pour y parvenir est le procédé Haber-Bosch, une réaction à l'échelle industrielle développée en Allemagne il y a plus de 100 ans. Dans le processus, l'hydrogène et l'azote gazeux sont combinés dans de grands réacteurs, sous pression et chaleur intenses en présence d'un catalyseur de fer à l'état solide, pour former de l'ammoniac.

"Les gaz sont pressurisés jusqu'à plusieurs centaines d'atmosphères et chauffés jusqu'à plusieurs centaines de degrés Celsius, " dit Ben Matson de Caltech, un étudiant diplômé du laboratoire de Jonas C. Peters, Bren Professeur de chimie et directeur du Resnick Sustainability Institute. " Avec le catalyseur de fer utilisé dans le processus industriel, ces conditions extrêmes sont nécessaires pour produire de l'ammoniac à des taux convenables."

Dans un article récent paru dans ACS Science centrale , Matson, Peters, et leurs collègues décrivent une nouvelle façon de fixer l'azote qui s'inspire de la façon dont les microbes le font.

Les nitrogénases sont constituées de sept atomes de fer entourés d'un squelette protéique. La structure de l'une de ces enzymes nitrogénases a d'abord été résolue par Douglas Rees de Caltech, le professeur de chimie Roscoe Gilkey Dickinson. Les chercheurs du laboratoire de Peters ont développé quelque chose de similaire à une nitrogénase bactérienne, bien que beaucoup plus simple, un échafaudage moléculaire qui entoure un seul atome de fer.

L'échafaudage moléculaire a été développé pour la première fois en 2013 et, bien que la conception initiale se soit montrée prometteuse pour la fixation de l'azote, c'était instable et inefficace. Les chercheurs ont amélioré son efficacité et sa stabilité en peaufinant le bain chimique dans lequel se produit la réaction de fixation, et en le refroidissant approximativement à la température de la neige carbonique (-78 degrés Celsius). Dans ces conditions, la réaction convertit 72 pour cent du produit de départ en ammoniac, une grande amélioration par rapport à la méthode initiale, qui n'a converti que 40 pour cent de la matière première en ammoniac et a nécessité plus d'énergie pour le faire.

Matson, Peters, et leurs collègues affirment que leur travail offre deux avantages majeurs :

Facilité de fabrication :

Parce que la technologie en cours de développement ne nécessite pas de températures ou de pressions élevées, l'infrastructure industrielle à grande échelle requise pour le procédé Haber-Bosch n'est pas nécessaire. Cela signifie qu'il sera peut-être un jour possible de fixer l'azote dans des installations plus petites situées plus près des lieux de culture.

"Notre travail pourrait aider à inspirer de nouvelles technologies pour la production d'engrais, " dit Trevor del Castillo, un étudiant diplômé de Caltech et co-auteur de l'article. « Bien qu'il soit peu probable que ce type de technologie remplace le procédé Haber-Bosch dans un avenir prévisible, cela pourrait avoir un impact important dans des endroits qui n'ont pas de réseau énergétique très stable, mais avoir accès à une énergie renouvelable abondante, comme le monde en développement. Il y a certainement de la place pour le développement de nouvelles technologies ici, une sorte de solaire « à la demande », hydro-électrique-, ou processus éolien.

Comprendre la fixation naturelle de l'azote :

L'enzyme nitrogénase est compliquée et capricieuse, ne fonctionne pas si les conditions ambiantes ne sont pas bonnes, ce qui rend difficile l'étude. Le nouveau catalyseur, d'autre part, est relativement simple. L'équipe pense que leur catalyseur effectue la fixation d'une manière conceptuellement similaire à celle de l'enzyme, et que sa relative simplicité permettra d'étudier les réactions de fixation en laboratoire à l'aide de techniques spectroscopiques modernes.

"Une chose fascinante est que nous ne savons vraiment pas, au niveau moléculaire, comment l'enzyme nitrogénase de ces bactéries transforme réellement l'azote en ammoniac. C'est une grande question sans réponse, " déclare Matthew Chalkley, étudiant diplômé, également co-auteur de l'article.

Peters dit que leurs recherches sur ce catalyseur leur ont déjà permis de mieux comprendre ce qui se passe lors d'une réaction de fixation d'azote.

"Un avantage de notre système synthétique de nitrogénase de fer est que nous pouvons l'étudier en détail, " dit-il. " En effet, en plus d'améliorer significativement l'efficacité de ce nouveau catalyseur de fixation d'azote, nous avons fait de grands progrès dans la compréhension, au niveau atomique, les étapes critiques de rupture et de fabrication des liaisons qui conduisent à la synthèse d'ammoniac à partir de l'azote."

Si les procédés de ce type peuvent être encore affinés et leur efficacité augmentée, Peters ajoute, ils peuvent également avoir des applications en dehors de la production d'engrais.

« Si cela peut être réalisé, la synthèse d'ammoniac solaire distribuée peut devenir une réalité. Et pas seulement comme source d'engrais, mais aussi comme alternative, durable, et combustible chimique stockable, " il dit.