N2-fixing cathodic biofilm and coupling to a bioanode
Biofilm cathodique fixateur de N2 et couplage à une bioanode
Résumé
L’azote est un élément indispensable pour l’agriculture et pour le vivant en général qui est rendu accessible par la fixation biologique de N2 par des bactéries. L’utilisation d’engrais azotés est cependant désormais essentielle pour assurer des rendements agricoles élevés. Ces engrais azotés sont produits à partir de NH3 synthétisé par le procédé Haber-Bosch, un processus énergivore et générateur d'importantes émissions de gaz à effet de serre. Il est donc crucial de trouver des alternatives pour fournir de l'azote aux plantes, avec un impact environnemental réduit en termes de consommation d'énergie et d'émissions. Les bactéries fixatrices de N2 font partie des alternatives envisagées. Cependant, la fixation de N2 par les bactéries demande une grande quantité d’ATP et de pouvoir réducteur. Dans ce contexte, la bioéléctrochimie microbienne est prometteuse car les biofilms cathodiques peuvent se développer en utilisant les cathodes comme sources d’énergie et de pouvoir réducteur.Dans le cadre du projet ANR CATHOMIX, une méthode d’enrichissement de biofilms cathodiques fixateurs de N2 a été développée. Cette méthode repose sur plusieurs étapes successives avec une première étape d’enrichissement de bactéries fixatrices de N2 suivi d’une étape utilisant une cathode productrice de H2 pour l’enrichissement des biofilms cathodiques. La fixation de N2 a été confirmée après 340 jours d’enrichissement par une mesure de l’activité nitrogénase. En effet, une vitesse de 32±17 µmol C2H4/L/j a été obtenue pour des biocathodes polarisées à -0,7 V (vs SHE, pH ≈ 7). En parallèle, la fixation du CO2 a été mise en évidence par la production d’acétate a une vitesse de 421,6±216,7 µmol/L/j avec le CO2 comme seule source de carbone. Ces observations et l’identification des bactéries présentes dans les biofilms ont permis de formuler un modèle des hypothèses du fonctionnement de ces biofilms.Par la suite, le projet ANR CATHOMIX vise à coupler des biocathodes fixatrices de N2 à des bioanodes oxydant la matière organique. Ce couplage de deux interfaces biofilms/électrodes doit permettre de réduire la différence de potentiel du système, ce qui se traduit par une diminution de la demande en énergie. De nouvelles biocathodes sont enrichies avec la méthode précédente avec application d’un courant à la cathode plutôt qu’un potentiel. Cette application d’un courant suffisamment faible permet d’apporter une quantité de H2 contrôlée aux cathodes à une vitesse n’entraînant pas de décrochage des biofilms. De plus, d’autres matériaux sont utilisés pour les cathodes pour diminuer la surtension nécessaire à la formation de H2. Enfin, ces biocathodes enrichies pour la fixation de N2 seront couplées à des bioanodes. Ainsi, la réaction d’oxydation de l’eau à l’anode (E°’=0,81 V vs SHE) sera remplacée par l’oxydation de la matière organique (E°’=-0,29 V vs SHE) grâce à des biofilms électroactifs, diminuant significativement l’énergie à apporter au système pour la fixation de N2.
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