Voie fermentaire

1La fermentation* sombre est un processus microbien conduisant à la production d’hydrogène en absence de lumière et d’oxygène. En présence de substrats organiques*, les micro-organismes produisent l’énergie nécessaire à leur survie en évacuant des produits métaboliques liquides tels que des cétones*, des alcools et des acides organiques, et gazeux tels que du CO₂, de l’H₂ ou du CH₄. Les bactéries des ordres Enterobacteriales, Clostridiales et Thermotogales sont spécialisées dans l’utilisation d’hydrates de carbones ou d’acides organiques pour produire de l’hydrogène. Cependant, cette production, représentant 15 à 30 % de l’énergie chimique consommée, s’accompagne souvent d’une consommation d’H₂ par d’autres micro-organismes, comme les archées méthanogènes* produisant du CH₄ à partir d’H₂. Ainsi, ces fermentations nécessitent une conduite en deux étapes pour produire séparément l’H₂ et le CH₄. Actuellement, la production d’H₂ par voie fermentaire n’est pas appliquée industriellement, même si elle est souvent observée dans les installations de méthanisation de fruits et légumes, d’effluents* de sucrerie et de laiterie. Les recherches en cours visent à comprendre et piloter les interactions entre micro-organismes producteurs et consommateurs d’H₂, à améliorer les productivités et les rendements, qui restent trop faibles, et à coupler les procédés à la photo-fermentation et à l’électrolyse microbienne pour atteindre des rendements globaux jusqu’à trois fois supérieurs et convertir la totalité de l’énergie contenue dans les substrats organiques.

Micro-algues

2Le développement d’organismes capables d’utiliser l’énergie solaire pour la production durable d’H₂ à partir de l’eau (H₂O) est d’un grand intérêt. Les micro-algues possèdent l’enzyme (hydrogénase) nécessaire à la production d’H₂ (cf. V.13), et elles sont cultivables en masse dans des conditions impropres à l’agriculture (eau salée, absence d’engrais). Ainsi la production future d’H₂ n’entrera pas en compétition avec l’alimentation humaine. La tolérance de l’hydrogénase à l’effet inhibiteur de l’O₂ (abondamment produit par la photosynthèse*) diffère chez les micro-algues. Chez les eucaryotes*, l’hydrogénase utilise un centre actif possédant deux atomes de fer, qui est irréversiblement inactivé par l’O₂. Chez les procaryotes* (cyanobactéries*), l’hydrogénase (formée par 5 protéines) possède un centre réactionnel doté d’un atome de fer et d'un atome de nickel (assemblé par les 6 autres protéines), qui n’est que transitoirement inactivé par l’O₂. En outre, la génétique qui permet d’analyser un micro-organisme et d’augmenter ses propriétés avantageuses, est plus performante chez les cyanobactéries. C’est pourquoi ce sont des cyanobactéries que nous reprogrammons pour augmenter la production d’H₂. Nous construisons des mutants surproduisant l’hydrogénase et son complexe d’assemblage (11 protéines) au sein des mêmes cellules*, et nous travaillons à l’augmentation de la tolérance de l’hydrogénase à l’O₂. La démarche est comparable à celle des ingénieurs qui améliorent les performances des moteurs : puissance, robustesse et alimentation.