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Piles microbiennes : produire de l’électricité à partir de bactéries

Magdalena Pop
Lisibilité
8.97

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Dans quelques décennies, une partie de l’électricité que tu consommeras pourrait provenir de bactéries.

La télécommande de mon téléviseur a cessé de fonctionner hier. Les piles étaient épuisées. Je me sens mal à l’aise chaque fois que cela arrive, parce que les piles usées deviennent alors des déchets toxiques. De plus, une télécommande qui ne fonctionne pas me rappelle à quel point mon style de vie dépend de l’électricité! 

Nombre de sources d’énergie et technologies courantes présentent des problèmes. Les combustibles que nous utilisons pour produire de l’électricité, comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel, sont non renouvelables. Ces ressources seront un jour épuisés. Entre temps, elles nuisent à l’environnement, polluant l’air et causant les changements climatiques.

Il nous faut des solutions de rechange plus intelligentes. Nous avons besoin de sources d’énergie renouvelable et de technologies plus respectueuses de l’environnement. L’une de ces solutions sensées proviendrait des créatures les plus anciennes et les plus petites qui existent sur la planète, et qui sont aussi dotées de la plus grande capacité d’adaptation : les bactéries.

Comme toutes les cellules vivantes, les bactéries ont besoin d’énergie. Certaines d’entre elles produisent leur propre énergie, par un processus appelé respiration cellulaire anaérobie. Le terme anaérobie signifie « sans air ». Ces bactéries vivent habituellement dans un environnement à faible concentration en oxygène. Tu connais probablement le processus de photosynthèse, selon lequel les plantes transforment le dioxyde de carbone et l’eau en sucres qui leur procurent de l’énergie. La respiration cellulaire fonctionne essentiellement d’après ce même processus, mais à l’inverse. Elle fragmente les sucres en eau, en dioxyde de carbone et (surtout) en adénosine triphosphate (ATP). L’ATP constitue les molécules d’énergie dont les cellules ont besoin pour fonctionner. 

La formule chimique de la respiration cellulaire s’énonce de la façon suivante : 

La formule chimique de la respiration cellulaire
La formule chimique de la respiration cellulaire (©2019 Parlons sciences).

Les scientifiques ont trouvé une façon de capter l’énergie que crée la respiration cellulaire. Ils procèdent à l’aide d’une technologie appelée pile microbienne.

 

Version textuelle

C6H1206 plus 6O2 devient 6CO2 plus 6H2O et environ 39 ATP

 

Le savais-tu? 

Le botaniste britannique M.C. Potter a été le premier à produire de l’électricité à partir de bactéries. Pour ce faire, il a utilisé la bactérie E. coli. C’était en 1911! 

Comment les piles produisent-elles de l’électricité?

Comment fonctionnent les piles microbiennes? Examinons tout d’abord le fonctionnement d’une pile sèche ordinaire. Une pile génère de l’électricité au moyen de l’énergie chimique. L’une des électrodes d’une pile (l’anode) subit une réaction d’oxydation. Il s’agit d’un processus chimique qui libère des électrons. Ces électrons traversent une pâte d’oxyde de manganèse pour se rendre à l’autre électrode, la cathode. Ici, les électrons subissent une réaction réductive. Il s’agit d’un processus chimique au cours duquel les électrons sont absorbés. Lors de leur déplacement de l’anode à la cathode, les électrons génèrent un courant électrique. Ce courant peut être utilisé, par exemple pour allumer une ampoule.

Éléments d’une pile sèche, incluant la direction du flux d’électrons
<p>&Eacute;l&eacute;ments d&rsquo;une pile s&egrave;che, incluant la direction du flux d&rsquo;&eacute;lectrons (Parlons sciences, d&rsquo;apr&egrave;s un sch&eacute;ma de <a href="https://www.istockphoto.com/ca/portfolio/Graphic_BKK1979?mediatype=illustration">Graphic_BKK1979</a> extrait de <a href="https://www.istockphoto.com/ca/vector/dry-cell-battery-structure-vector-graphic-design-gm699092034-129523659">iStockphoto</a>).</p>

En quoi les piles microbiennes diffèrent-elles des piles ordinaires?

Une pile microbienne utilise l’énergie chimique pour produire de l’électricité, tout comme une pile ordinaire. Une pile microbienne possède deux électrodes situées dans des chambres séparées. La chambre anodique qui contient les bactéries est anaérobie. Cela signifie qu’elle ne contient pas d’oxygène. La chambre cathodique est aérobie, et est donc pourvue en oxygène. Le processus d’oxydation se produit naturellement à l’intérieur des bactéries qui vivent dans la chambre anodique, par la respiration cellulaire. Les liaisons des électrons maintiennent ensemble les molécules de la nourriture dont s’alimentent les bactéries. Les bactéries brisent ces liaisons pour libérer les électrons.

Une pile à combustible microbienne pour produire de l'électricité par les plantes (2013) par euronews (1 min 58 sec).

La respiration cellulaire peut se poursuivre tant et aussi longtemps que les bactéries ont de la nourriture. Les bactéries peuvent digérer à peu près n’importe quoi, comme des déchets humains, ainsi que d’autres matières comme l’ammoniaque, l’éthanol ou l’acétate. La technologie des piles microbiennes devient intéressante en raison de cette capacité des bactéries. Elle peut produire de l’électricité et éliminer des déchets en même temps! 

La production d’électricité à l’aide de bactéries n’est pas une idée nouvelle. En fait, elle est née il y a plus d’un siècle. Alors, pourquoi la technologie des piles microbiennes n’est-elle pas encore devenue chose courante? La conception et les matériaux utilisés pour fabriquer les électrodes se sont grandement améliorés, mais les piles microbiennes ne produisent encore que des courants relativement faibles. Pourquoi? Cela s’explique en partie parce que les électrons libérés durant la respiration cellulaire ne se transfèrent pas bien des bactéries à l’anode.

Les bactéries employées dans les piles microbiennes sont dites exoélectrogènes. Elles sont électrochimiquement actives et ont la capacité de transférer des électrons à l’extérieur de leurs cellules. Les électrons qu’elles libèrent atteignent l’anode de l’une des trois façons suivantes.

  1. Ils sont transférés par des protéines de transport sur la surface des cellules.
  2. Ils sont exportés par des projections de la membrane cellulaire (nanofils).
  3. Ils sont sécrétés dans des solutions chimiques (médiateurs).
Schéma d’une cellule microbienne
Schéma d’une cellule microbienne. Les électrons peuvent être transférés par des protéines de transport (A), des nanofils (B) ou des médiateurs (C) (© 2019 Parlons sciences).

Le savais-tu? 

Les cellules d’électrolyse microbienne (CEM) sont un type modifié de pile microbienne. Les CEM utilisent un courant externe pour produire du carburant, comme de l’hydrogène.

Quel est l’avenir des piles microbiennes?

La technologie des piles microbiennes pourra un jour être utilisée pour produire de l’électricité à partir de déchets biodégradables et d’eaux usées. Elle pourra en même temps apporter son concours au traitement des eaux usées et à la biorestauration. Les piles microbiennes seront également utiles à la surveillance des quantités de matières biodégradables laissées dans les eaux usées, ainsi qu’à la télédétection. Ces tâches seront réalisées par des appareils autonomes alimentés par des piles microbiennes. 

Le savais-tu? 

Les chercheurs explorent également la possibilité d’utiliser les piles microbiennes comme source d’énergie pour les équipements dans l’espace.

Ces mécanismes naturels pourraient-ils être enrichis? Les scientifiques tentent de répondre à cette question à l’aide du génie génétique. Ils manipulent les gènes qui participent au transfert des électrons, de même que d’autres gènes essentiels au cycle de vie des bactéries. Ce domaine de recherche en est encore à ses débuts, mais se révèle déjà très prometteur.

Donc, est-ce que la télécommande de mon téléviseur fonctionne avec des piles microbiennes dans l’avenir? Probablement pas. À l’opposé des piles ordinaires, les piles microbiennes nécessitent un flux entrant et sortant de matières en continu. Plus particulièrement, elles ont besoin d’une source permanente de nourriture pour les bactéries dans la chambre anodique. Ce n’est vraiment pas une possibilité dans une télécommande de téléviseur.

En résumé

Est-ce que des bactéries produisent un jour une partie de l’électricité que tu utiliseras? C’est fort possible. Ce processus de production d’électricité pourrait aider à la gestion des déchets. Il pourrait même contribuer à la restauration de sols contaminés et à l’assainissement de l’eau. Il ne s’agit que d’une possibilité parmi plusieurs autres nouvelles sources d’énergie de remplacement. La production d’énergie dans l’avenir pourrait être plus écologique et plus durable que de nos jours. 

Points de départ

Connecter et Relier

  • Combien, parmi les appareils que tu possèdes, fonctionnent avec des piles? Quel type de piles utilises-tu dans ces appareils? Que fais-tu avec les piles usées? 
  • Est-ce que tu utilises des formes quelconques d’énergie renouvelable dans ta vie quotidienne? De quels types d’énergie renouvelable s’agit-il? Quels appareils sont alimentés par ces formes d’énergie? 
  • Aimerais-tu que la technologie des piles microbiennes soit utilisée dans ta collectivité? Pourquoi, ou pourquoi pas?

Connecter et Relier

  • Combien, parmi les appareils que tu possèdes, fonctionnent avec des piles? Quel type de piles utilises-tu dans ces appareils? Que fais-tu avec les piles usées? 
  • Est-ce que tu utilises des formes quelconques d’énergie renouvelable dans ta vie quotidienne? De quels types d’énergie renouvelable s’agit-il? Quels appareils sont alimentés par ces formes d’énergie? 
  • Aimerais-tu que la technologie des piles microbiennes soit utilisée dans ta collectivité? Pourquoi, ou pourquoi pas?

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • Les technologies comme celles des piles microbiennes sont souvent créées pour résoudre des problèmes découlant de notre mode de vie. Il serait donc préférable de modifier notre mode de vie en réduisant notre consommation d’électricité et notre production de déchets. Es-tu d’accord? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Si les piles microbiennes devaient utiliser des bactéries génétiquement modifiées, quels seraient les risques? Est-ce que ces risques pourraient être évités? Explique.
  • Est-ce que le développement d’une technologie efficace de piles microbiennes devrait être financé par les fonds publics? Pourquoi, ou pourquoi pas?

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • Les technologies comme celles des piles microbiennes sont souvent créées pour résoudre des problèmes découlant de notre mode de vie. Il serait donc préférable de modifier notre mode de vie en réduisant notre consommation d’électricité et notre production de déchets. Es-tu d’accord? Pourquoi, ou pourquoi pas?
  • Si les piles microbiennes devaient utiliser des bactéries génétiquement modifiées, quels seraient les risques? Est-ce que ces risques pourraient être évités? Explique.
  • Est-ce que le développement d’une technologie efficace de piles microbiennes devrait être financé par les fonds publics? Pourquoi, ou pourquoi pas?

Explorer les Concepts

  • Qu’est-ce que l’énergie renouvelable? Quelles sont les caractéristiques que devraient posséder les sources d’énergie renouvelable? Explique et donne des exemples.
  • Que sont les réactions d’oxydoréduction, et en quoi sont-elles utiles en électricité?
  • Comment fonctionne une cellule électrochimique?
  • Qu’est-ce qui se produit durant la respiration cellulaire, et quel rôle joue ce processus dans une pile microbienne?

Explorer les Concepts

  • Qu’est-ce que l’énergie renouvelable? Quelles sont les caractéristiques que devraient posséder les sources d’énergie renouvelable? Explique et donne des exemples.
  • Que sont les réactions d’oxydoréduction, et en quoi sont-elles utiles en électricité?
  • Comment fonctionne une cellule électrochimique?
  • Qu’est-ce qui se produit durant la respiration cellulaire, et quel rôle joue ce processus dans une pile microbienne?

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • En quoi le développement de la technologie des piles microbiennes est-il un effort interdisciplinaire? Quelles disciplines y participent, et sur quel aspect de la technologie se concentre chacune d’elles?
  • La technologie s’inspire des processus naturels. Comment ce concept s’applique-t-il aux piles microbiennes?
  • Puisque plus d’un siècle s’est écoulé sans que nous ayons réussi à perfectionner la technologie des piles microbiennes, est-ce que nous devrions abandonner? Pourquoi, ou pourquoi pas?

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • En quoi le développement de la technologie des piles microbiennes est-il un effort interdisciplinaire? Quelles disciplines y participent, et sur quel aspect de la technologie se concentre chacune d’elles?
  • La technologie s’inspire des processus naturels. Comment ce concept s’applique-t-il aux piles microbiennes?
  • Puisque plus d’un siècle s’est écoulé sans que nous ayons réussi à perfectionner la technologie des piles microbiennes, est-ce que nous devrions abandonner? Pourquoi, ou pourquoi pas?

Littératie Médiatique

  • Les politiciens parlent souvent d’une « crise énergétique ». Est-ce que l’urgence sous-entendue dans cette expression est justifiée? Explique.
  • Lorsque les gens entendent parler d’énergies de remplacement, ils pensent habituellement à des panneaux solaires et à des éoliennes. Comment pourrait-on utiliser les médias courants pour aider les gens à se faire une bonne idée des piles microbiennes?

Littératie Médiatique

  • Les politiciens parlent souvent d’une « crise énergétique ». Est-ce que l’urgence sous-entendue dans cette expression est justifiée? Explique.
  • Lorsque les gens entendent parler d’énergies de remplacement, ils pensent habituellement à des panneaux solaires et à des éoliennes. Comment pourrait-on utiliser les médias courants pour aider les gens à se faire une bonne idée des piles microbiennes?

Suggestions d'enseignement

  • Cet article et les vidéos connexes peuvent être employés en chimie, biologie, ingénierie et technologie, et Terre et environnement pour l’enseignement et l’apprentissage de l’électrochimie, de la production d’électricité, des réactions d’oxydoréduction et des énergies renouvelables. Les concepts présentés comprennent les sources d’énergie renouvelable, les bactéries, la respiration cellulaire, les piles microbiennes, les piles, les électrodes, l’anode, la cathode, la réaction d’oxydation, la réaction réductive, le courant électrique, les exoélectrogènes, les protéines de transport, le génie génétique et la gestion des eaux usées.
  • À la suite de la lecture de l’article et du visionnement des vidéos, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Tournoi des idées principales pour consolider les nouvelles connaissances. Les Fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Les enseignants pourraient aussi demander aux élèves de remplir une Toile de définition de concept pour consolider leur compréhension des piles microbiennes. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Les élèves pourraient réfléchir aux aspects positifs et négatifs liés aux piles microbiennes en se servant d’un Organisateur du pour et du contre. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].

Suggestions d'enseignement

  • Cet article et les vidéos connexes peuvent être employés en chimie, biologie, ingénierie et technologie, et Terre et environnement pour l’enseignement et l’apprentissage de l’électrochimie, de la production d’électricité, des réactions d’oxydoréduction et des énergies renouvelables. Les concepts présentés comprennent les sources d’énergie renouvelable, les bactéries, la respiration cellulaire, les piles microbiennes, les piles, les électrodes, l’anode, la cathode, la réaction d’oxydation, la réaction réductive, le courant électrique, les exoélectrogènes, les protéines de transport, le génie génétique et la gestion des eaux usées.
  • À la suite de la lecture de l’article et du visionnement des vidéos, les enseignants pourraient demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Tournoi des idées principales pour consolider les nouvelles connaissances. Les Fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Les enseignants pourraient aussi demander aux élèves de remplir une Toile de définition de concept pour consolider leur compréhension des piles microbiennes. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Les élèves pourraient réfléchir aux aspects positifs et négatifs liés aux piles microbiennes en se servant d’un Organisateur du pour et du contre. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].

En savoir plus

Une pile microbienne produit du courant... et dépollue l’eau Futura Planète (2011) -- Des bactéries qui produisent de l'électricité en se nourrissant sur la racine de plantes vertes ou même en dépolluant des eaux usées : c'est le principe des piles microbiennes, sur lesquelles des chercheurs rennais travaillent.

Bacteria Nanowires (2014) El-Naggar et al. - Vidéo de YouTube (41 sec) (sans son) d’images au microscope de bactéries envoyant des nanofils.

La pile à bactéries: de l’électricité à partir de la levure (2010) Science in School -- Nous savons tous que l’on utilise la levure pour produire la bière et le pain – mais de l’électricité? Dean Madden, du Centre National pour L'Éducation aux Biotechnologies, Université de Reading, Royaume-Uni, nous montre comment cela marche.

Références

Alternative Energy. (n.d.). What are microbial fuel cells? 

Joseph, M., Krishnaraj, N., Shanmugam, & Perumal. (2018, juillet 5). Biofilm engineering approaches for improving the performance of microbial fuel cells and bioelectrochemical systems. Frontiers in Engineering.

Logan, B. E. (n.d.). Microbial fuel cells. Pennsylvania State University.

Mercer, J. (n.d.). Microbial fuel cells: Generating power from waste. University of Southern California.

Nave, R. (n.d.). Cellular respiration. Georgia State University.

Zhou, M., Wang, H., Hassett, D. J., & Gu, T. (2013). Recent advances in microbial fuel cells (MFCs) and microbial electrolysis cells (MECs) for wastewater treatment, bioenergy and bioproducts. Journal of Chemical and Technology & Biotechnology, 88(4). DOI: 10.1002/jctb.4004