Les termites ne suscitent généralement pas beaucoup d'amour. Mais étonnamment, cet insecte xylophage pourrait détenir la clé pour transformer le charbon - une grande partie polluante de l'approvisionnement énergétique mondial - en une énergie plus propre pour le monde, selon les chercheurs de l'Université du Delaware.

Dans le journal de l'American Chemical Society Énergie et carburants , Le professeur de l'UD Prasad Dhurjati et son équipe de recherche décrivent en détail comment une communauté de microbes des termites transforme le charbon en méthane, l'ingrédient principal du gaz naturel. L'étude, qui a produit des modèles informatiques du processus biochimique étape par étape, était une collaboration avec ARCTECH, une entreprise basée à Centerville, Virginie, qui travaille avec ces microbes depuis 30 ans. ARCTECH a fourni à l'équipe UD les données expérimentales qui ont été utilisées pour valider les modèles.

"Cela peut sembler fou au premier abord - des microbes des termites mangeant du charbon - mais pensez à ce qu'est le charbon. C'est essentiellement du bois qui a été cuit pendant 300 millions d'années, " dit Dhurjati, qui fait partie de la faculté du département de génie chimique et biomoléculaire de l'UD.

Il y a des éons, les arbres et autres plantes des immenses forêts qui couvraient autrefois la Terre sont morts et sont tombés dans les marécages. Des couches sur des couches de cette végétation ont été soumises à une pression et une température élevées dues aux forces géologiques, former des filons de charbon. L'anthracite est le plus dur, charbon brûlant le plus propre, puis bitumineux, charbon sous-bitumineux et lignite.

Maintenant, considérons les termites (dont il y en a environ 3, 000 espèces différentes dans le monde). Selon la National Pest Management Association, les termites causent plus de 5 milliards de dollars de dommages matériels chaque année. Ils peuvent manger du bois et en extraire de l'énergie, grâce à quelques milliers de microbes vivant à l'intérieur de leur intestin. Cette communauté dense d'organismes microscopiques travaille ensemble pour digérer la cellulose et la lignine qui donnent aux parois cellulaires végétales leur rigidité.

Ces mêmes microbes peuvent digérer le charbon, libérant du méthane et produisant de la matière humique, un engrais organique bénéfique, comme sous-produit. Chaque microbe contribue à une ou plusieurs étapes de ce processus de digestion complexe, dans lequel il y a des centaines d'étapes, et où le produit d'un microbe peut servir de nourriture pour le suivant.

"Ces microbes font des millions d'entailles chirurgicales dans le charbon, en utilisant des enzymes dérivées d'une vaste gamme de gènes, " a déclaré Dhurjati.

Plusieurs entreprises ont tenté de commercialiser sur cette décomposition microbienne du charbon, mais ont échoué en raison de la complexité de faire travailler ensemble une communauté de microbes. Cependant, ARCTECH a réussi à faire en sorte que les microbes convertissent le charbon en gaz méthane, ainsi que des produits humiques organiques utiles pour l'agriculture, nettoyage de l'eau et recyclage des déchets.

« Nos modèles informatiques permettent désormais de concevoir avec succès, exploiter et contrôler des procédés à l'échelle commerciale, " il a dit.

Les modèles informatiques décomposent les processus complexes

Au cours de la dernière décennie, Dhurjati et une douzaine d'étudiants-chercheurs de l'UD ont minutieusement décomposé toutes les étapes de la conversion du charbon en gaz naturel par les microbes des termites. Ils ont développé des modèles informatiques, connu techniquement sous le nom de « modèle mathématique cinétique global » et de « modèle de connectivité de réaction », " décrivant chaque réaction biochimique comme la communauté microbienne des termites transforme le charbon en carburant plus propre. Chimiquement parlant, les microbes - un mélange de bactéries, protistes et champignons—convertissent d'abord le charbon en gros hydrocarbures polyaromatiques, qui sont ensuite dégradés en acides gras à mi-chaîne, ensuite en acides organiques, enfin produire du méthane.

Le modèle cinétique simplifie et « regroupe » les centaines d'étapes en quelques étapes intermédiaires importantes. Ces intermédiaires biochimiques sont ensuite incorporés dans un modèle mathématique qui peut être utilisé pour identifier où le processus tombe en panne et comment le relancer.

Les microbes ont-ils besoin de plus de nourriture ? La température est-elle optimale ? Les modèles servent d'outil quantitatif, fournir des informations essentielles pour répondre aux besoins nutritionnels des microbes et pour résoudre les goulots d'étranglement métaboliques et les points d'étranglement. Les modèles peuvent également être utilisés pour simuler les conditions d'une mine de charbon, un environnement très différent de l'intestin des termites.

La technologie basée sur les microbes a déjà été mise en œuvre dans de grands réservoirs appelés biodigesteurs au-dessus du sol, et Dhurjati recherche maintenant des collaborateurs pour tester la technologie sous terre, dans une mine de charbon profonde.

"Cette biotechnologie révolutionnaire a le potentiel de transformer le 'charbon sale' en 'charbon propre, '", a-t-il déclaré. "Ce serait un grand gagnant-gagnant pour l'environnement et pour l'économie."

À la poursuite du « charbon propre »

Le charbon représente actuellement près de 30 pour cent de l'approvisionnement énergétique mondial et environ 40 pour cent de sa production d'électricité, selon le Comité des ressources terrestres des Académies nationales des sciences, Ingénierie et médecine.

Alors que le charbon continue d'être vital pour l'approvisionnement énergétique mondial, il a aussi la réputation d'être sale, dangereux pour les travailleurs, et dommageable pour la santé humaine et l'environnement. La combustion du charbon libère des polluants toxiques dans l'air, comme le mercure, le dioxyde de soufre, oxydes d'azote et suies, contribuant aux maladies respiratoires. Le charbon est également connu pour générer plus d'émissions de gaz à effet de serre lorsqu'il est brûlé que le pétrole ou le gaz naturel. Il génère presque deux fois plus de dioxyde de carbone par unité d'énergie que le gaz naturel.

Au lieu de brûler du charbon, Dhurjati veut utiliser des microbes de termites pour le digérer, libérant du gaz naturel.

« Cela ferait beaucoup d'énergie à base de charbon, beaucoup plus propre jusqu'à ce que le monde ait le temps de passer complètement aux énergies renouvelables comme l'éolien et le solaire, " il a dit.

Le monde a environ 1,1 billion de tonnes de charbon - ce sont des réserves qui peuvent être exploitées avec la technologie existante, selon l'Energy Information Administration des États-Unis. Cette quantité est estimée durer encore environ 150 ans avec les taux de production actuels, a déclaré l'Association mondiale du charbon. La Chine et l'Inde sont les plus gros consommateurs de charbon, et les États-Unis ont les plus grandes réserves prouvées de charbon.

Pourtant, moins de 5 % du charbon mondial est considéré comme « exploitable ». Selon l'Energy Information Administration des États-Unis, 90,7 pour cent de tous les combustibles fossiles dans le monde se trouvent dans les profondeurs, filons de charbon inexploitables, suivi du charbon exploitable à 4,8 pour cent, gaz naturel à 2,3 pour cent, et le pétrole à 2,2 pour cent.

La grande majorité du charbon est enfermée sous terre dans les filons 1, 000 pieds ou plus de profondeur, ce qui équivaut à trois statues de la Liberté empilées les unes sur les autres, puis certaines.

Dans un processus appelé extraction du méthane de houille, qui a été soutenu par le département américain de l'Énergie depuis les années 1980, des trous ou "puits" sont forés depuis la surface jusqu'aux filons de charbon souterrains pour accéder au méthane piégé il y a des siècles lorsque le charbon s'est formé. Plusieurs États américains, ainsi que l'Australie et l'Inde, utiliser cette méthode.

Dhurjati a déclaré qu'il espère déployer des mineurs de microbes sur l'un de ces sites pour se nourrir de charbon et produire un flux constant de gaz naturel, canalisé à la surface.

"ARCTECH a les microbes et la technologie, et nos modèles informatiques nous ont aidés à découvrir les facteurs clés et les limites qui empêchaient auparavant la commercialisation de la technologie sous terre, " at-il dit. " La technologie est prête à partir. "

Une « ressource pour l'égalité des chances »

Dhurjati considère le charbon "une ressource d'égalité des chances". Bien que les États-Unis abritent la plus grande offre au monde, plus de 70 pays ont des ressources en charbon.

"Notre objectif est d'aider les pays à utiliser le charbon de manière sûre, manière propre, alors que le monde poursuit sa transition vers les énergies renouvelables, " a déclaré Dhurjati. "C'est l'un des projets les plus importants dans lesquels j'ai jamais été impliqué, et il a le potentiel de changer la donne."

Abhilash Sharma, un UD senior spécialisé en ingénierie de Marietta, Géorgie, et le premier auteur sur le papier, s'est porté volontaire pour faire des recherches sur l'équipe de Dhurjati lorsqu'il était en deuxième année et a continué depuis parce qu'il a dit qu'il croyait profondément au travail.

"Le charbon est si incroyablement abondant qu'on aurait tort de l'ignorer, " Sharma a déclaré. "Nous nous dirigeons vers un nouvel état d'esprit où plutôt que d'envoyer les gens sous terre, nous enverrons des microbes sous terre et laisserons les gens d'en haut s'occuper de ce que les microbes font sortir. Ce faisant, nous donnerions également aux gens beaucoup plus de compétences pour de futurs emplois."