"Une bactérie photosynthétique convertit le CO2 issu de la pétrochimie et génère du dioxygène O2" par le Dr Mae-Wan Ho

Rapport de l’ISIS en date du 19/09/2012
Une version entièrement référencée de cet article intitulé Photosynthetic Bacterium Converts CO2 into Petrochemical & O2 est accesible par les membres de l’ISIS sur le site suivant http://www.i-sis.org.uk/Photosynthetic_Bacterium_Converts_CO2_into_Petrochemical_and_O2.php Elle est par ailleurs disponible en téléchargement ici
S’il vous plaît diffusez largement et rediffusez, mais veuillez donner l’URL de l’original et conserver tous les liens vers des articles sur notre site ISIS. Si vous trouvez ce rapport utile, s’il vous plaît, soutenez ISIS en vous abonnant à notre magazine Science in Society, et encouragez vos amis à le faire. Ou jeter un oeil à notre librairie ISIS bookstore pour d’autres publications

Les scientifiques du National Renewable Energy Laboratory, le Laboratoire national des énergies renouvelables auprès du ministère américain de l’Énergie à Golden, dans le Colorado aux Etats-Unis, ont réussi à transformer le dioxyde de carbone en éthylène, un carburant à forte densité énergétique et matière première qui est la plus largement produite pour l’industrie pétrochimique dans le monde entier. Le rapport a été publié en ligne dans la revue Energy & Environmental Science [1].
Il s’agit d’une avancée majeure en termes de source d’énergie, avec zéro émission de carbone, une resource véritablement renouvelable et durable, et peut-être surtout remarquable par la génération d’oxygène à partir du dioxyde de carbone (bien que cet aspect n’ait pas été mentionné par les scientifiques eux-mêmes).

L‘éthylène

L’éthylène (H2C=CH2) est fabriqué exclusivement à partir de combustibles fossiles dans des procédés industriels qui sont les plus grands émetteurs de CO2. C’est aussi la matière première la plus largement produite pour l’industrie chimique mondiale.
L’éthylène est utilisé dans la synthèse de diverses matières plastiques et de textiles tels que le polyester. Au cours des 50 dernières années, il a été utilisé pour produire de l’éthanol de haute qualité qui peut être polymérisé en donnant de l’essence.
Un total de 132,9 millions de tonnes d’éthylène ont été produites en 2010, avec une croissance prévue de 5% par an jusqu’en 2015. Sa fabrication implique le vapocraquage d’hydrocarbures à longue chaîne à partir du pétrole ou de l’éthane.
Les approvisionnements en pétrole sont limités et le vapocraquage génère de grandes quantités de gaz à effet de serre : 1,5 à 3,0 tonnes de CO2 par tonne d’éthylène. L’équipe dirigée par Justin Ungerer a pris les premières mesures dans l’élaboration d’une alternative durable, avec un bilan carbone neutre, en adaptant une bactérie afin qu’elle convertisse le CO2 en éthylène.
Le CO2 utilisé là comme matière première constitue une technique qui est particulièrement intéressante car elle séquestre du carbone et recycle le CO2 au lieu qu’il soit enfoui dans le sol (voir [2] Carbon Capture and Storage A False Solution, *
* Version en français "Le piégeage et le stockage du carbone ne sont toujours pas une option à retenir" par Jeffrey H. Michel. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article180&lang=fr
L’éthylène est un gaz et il peut être récupéré directement à partir de l’espace au-dessus du mélange réactionnel, ce qui réduit les coûts et l’énergie lors de la récupération et de l’extraction, par rapport aux techniques conventionnelles qui sont nécessaires pour les lipides ou au bioéthanol, qui sont produits par des cultures d’algues.
En outre, l’éthylène n’est pas une source de nourriture pour les microbes, ce qui élimine les problèmes d’alimentation et de contamination associés aux sucres ou aux sécrétions d’acides gras. Et pour couronner le tout, l’éthylène n’est pas toxique pour les bactéries qui le produisent, contrairement à l’éthanol et au butanol, et il peut être produit en grandes quantités [1].

La production d’éthylène par les cyanobactéries

La souche PCC6803 de la cyanobactérie Synechocystis sp. a été mise en œuvre pour faire la biosynthèse. L’équation globale du processus est la suivante :
2CO2 + 2H2O  C2H4 + 3 O2 (1)
Ainsi, la production photosynthétique d’une tonne d’éthylène pourrait séquestrer 3,14 tonnes de CO2, sans compter les économies de presque autant d’émissions de CO2 par rapport à l’éthylène qui est produit classiquement à partir des combustibles fossiles. Un autre aspect important, que les auteurs n’ont pas commenté, réside dans la libération de dioxygène O2, dont je parlerai plus tard.
Comme dans la photosynthèse normale, la bactérie utilise la lumière du soleil pour décomposer l’eau en 4H et O2 ; l’hydrogène 4H servant à la réduction de 2 CO2 en donnant l’éthylène, et en libérant deux molécules d’oxygène à partir du dioxyde de carbone, en plus de l’oxygène provenant de l’eau.
L’éthylène est aussi une hormone végétale naturelle qui régule la germination, la sénescence et la maturation des fruits, parmi divers autres processus. Chez les plantes, il est synthétisé à partir de la méthionine dans une réaction en trois étapes. La plupart des bactéries donnent de l’éthylène à partir de la méthionine dans une autre réaction en deux étapes, ce qui n’est pas très efficace. De nombreux agents pathogènes des plantes, tels que la bactérie Pseudomonas syringae, procède à la synthèse d’éthylène au cours de l’infection pour surmonter la défense de l’hôte. Ces agents pathogènes le font directement à partir du cycle de l’acide tricarboxylique (TCA), par l’intermédiaire de l’a-cétoglutarate, et d’une manière efficace en une seule étape de réaction catalysée par l’enzyme formant l’éthylène (EFE), qui produit également le succinate en tant que produit secondaire [3].
L’enzyme de Pseudomonas syringae pv. phaseolicola a été clonée et exprimée dans la levure Saccharomyces cerevisiae, qui a formé de l’éthylène en tant que sous-produit résultant de la fermentation du glucose [4]. L’enzyme EFE a également été exprimée précédemment dans les cyanobactéries Synechococcus elongatus [5] et Synechocystis [6].
Ungerer et ses collègues ont résolu les problèmes de la stabilité génétique et d’une faible productivité chez Synechocystis par la reconstruction du gène efe [1]. Ils ont également adapté les conditions de croissance pour améliorer le rendement.

Optimisation de la production d’éthylène

Par la modification du gène efe
Les précédentes tentatives de modifier génétiquement Synechococcus ont échoué parce que le gène efe avait perdu son activité dans les trois sous-cultures. L’inactivation est due à des duplications de la séquence CTATG, conduisant à une protéine tronquée. La séquence apparaît trois fois dans le gène efe, et les duplications ont été trouvées sur les trois sites. Le fait de modifier la séquence, sans modifier le codon pour les acides aminés, a résolu le problème. Cela a également permis aux codons d’être optimisés pour une meilleure expression chez Synechocystis. L’expression d’une ou de deux copies du gène optimisé n’a eu aucun effet sur le taux de croissance, ni sur la morphologie des colonies.
L’enzyme a été exprimée de façon stable et elle a produit des niveaux élevés d’éthylène au cours de quatre repiquages ​​successifs. Le promoteur du pois a été jugé comme le meilleur pour l’expression. Les solutions technologiques suivantes ont été appliquées.

En améliorant les conditions de croissance de la production

Dans le milieu de croissance habituel, les pics de production d’éthylène se manifestent au début, puis la production diminue de façon constante lorsque la culture atteint une phase stationnaire. De nombreux tests n’ont pas permi d’identifier un seul facteur limitant, ce qui suggère que de multiples composants dans le milieu sont devenus des facteurs limitants. En effet, l’augmentation de la concentration du milieu (jusqu’à 5 fois) conduit à une production accrue au niveau du pic, et celle-ci reste plus élevée par la suite pendant une plus longue période.

En augmentant le nombre de copies du gène efe

Le fait de faire s’exprimer une seconde copie du gène efe commandée par le même promoteur du pois, a augmenté la production de plus de deux fois, et sans augmentation apparente de la charge métabolique, par rapport à la souche de la bactérie de type sauvage.

En travaillant avec une culture bactérienne se multipliant en semi-continu

Comme l’appauvrissement des composants du milieu de culture limite la production d’éthylène, les chercheurs ont décidé d’adopter une culture semi-continue. Les cellules ont été centrifugées et replacées dans du milieu nouveau chaque semaine : la culture a repris la production d’éthylène à des niveaux élevés immédiatement après. Une production maximale de 3.100 ml d’éthylène par L-1 h-1 a été atteinte. Ce taux de production de pointe a été maintenu pendant trois semaines avec un remplacement moyen quotidien dans une culture mature d’une densité optique de 15 à 730 nm. Il est clair que la culture continue (le remplacement continu du milieu) est important pour maintenir des niveaux élevés de production.

En augmentant l’intensité lumineuse

L’augmentation de l’intensité lumineuse de 12 fois – de 50 à 600 mol de photons m-2 s-1 a augmenté les niveaux de production pour atteindre 5.700 m L-1 h-1.

La production d’éthylène dans de l’eau de mer

Afin de rendre la production d’éthylène durable et commercialement viable, l’équipe de recherche a étudié si l’eau de mer pourrait remplacer le milieu de culture pour la croissance des bactéries : ce milieu est onéreux et il nécessite beaucoup d’eau douce, une ressource qui devient de plus en plus rare (voir [7] World Water Supply in Jeopardy, SiS 56) *.
* Version en français "C’est l’approvisionnement du monde en eau qui est menacé" par le Dr Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article258&lang=fr
Les chercheurs ont constaté que l’eau de mer par elle-même n’assure pas des niveaux de production élevés. Cependant, l’eau de mer additionnée de 4 mg L-1 de phosphate et de 150 mg L-1 de nitrate suffit à soutenir des taux comparables aux cultures bactériennes en milieux de culture qui utilisent un milieu concentré 5 fois. Ces éléments nutritifs principaux peuvent être dérivés et obtenus à partir des eaux usées, ce qui assure en plus un recyclage supplémentaire des déchets.
Ce sont de bonnes nouvelles, car la production d’éthylène pourrait être installée dans des eaux saumâtres, dans des baies marines ou des zones côtières - sans entrer en concurrence avec les terres arables fertiles ni avec l’eau douce – en moyennant toutefois des garanties sérieuses et des mesures appropriées pour empêcher toute décharge et toute dissémination de déchets transgéniques dans l’environnement.

L’éthylène est un puits de carbone alternatif pour la photosynthèse

L’analyse des flux de carbone montre que si la production d’éthylène est la plus élevée dans la phase logarithmique précoce de la croissance bactérienne, le pourcentage de carbone fixé par l’éthylène augmentte lorsque la culture bactérienne arrive à un stade de maturité, et la plus grande porportion de carbone est fixée pendant la phase stationnaire.
Le taux de fixation du carbone a atteint 5,5%, ce qui dépasse le flux de carbone réalisé dans le cycle de Krebs ou TCA du métabolisme de base. Cela donne à penser qu’il y a des modifications importantes du flux de carbone dans les souches bactériennes formant l’éthylène, et que l’éthylène fournit un puits alternatif pour la fixation du carbone.

C’est une percée technologique majeure, en particulier du fait de la régénération d’oxygène par le procédé

Percée majeure avec une nouvelle source d’énergie renouvelable, qui remplace un processus de production caractérisé par une forte émission de CO2- par une matière première qui est la plus largement utilisée dans l’industrie chimique et qui, jusqu’ici, a été fabriquée exclusivement à partir de combustibles fossiles.
En outre, la productivité maximale de 7.125 mg L-1 h-1 est supérieure a celle qui a été rapportée pour d’autres produits pétrochimiques par les algues / cyanobactéries, y compris l’isobutanol (3.500 mg L-1 h-1), l’isobutyraldéhyde (6.200 mg L-1 h -1) et le biodiesel (3. 420 mg L-1 h-1).
L’éthylène a une densité énergétique plus élevée (47 MJ kg-1) et une teneur en carbone plus élevée (92% en poids) que les autres qui servent de biocarburants : isobutanol (33 MJ kg-1) (poids 64% en poids), isobutyraldéhyde (31 MJ kg-1) (62% en poids), éthanol (23 MJ kg-1) (52% en poids), biodiesel (37 MJ kg-1) (en moyenne 75%). Tout cela fait de l’éthylène un combustible très attrayant, en plus d’être une matière première chimique largement utilisée.
Peut-être l’aspect le plus important de ce processus est qu’il réduit le CO2 en éthylène, libérant de l’oxygène supplémentaire (voir ci-dessus). L’oxygène a été épuisé plus vite lorsque le CO2 a augmenté dans l’atmosphère par la combustion des combustibles fossiles, et cette tendance s’est accélérée depuis les années 2002-2003 ([8] O2 Dropping Faster than CO2 Rising, SiS 44).
Les causes précises ne sont pas connues, mais la déforestation – pratiquée récemment pour la production de biocarburants - constitue un facteur principal (voir [9] Biofuels for Oil Addicts d’autres articles de la série, SiS 30) *
* [On peut utilement se reporter aux articles suivants]
"Les biocarburants et la faim dans le monde" par le Dr. Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article36&lang=fr
"Pour les biocarburants, des scientifiques exposent les effets dévastateurs des prises en compte erronées relatives au carbone" par le Dr Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article25&lang=fr
"Les biocarburants, c’est de l’énergie gaspillée !" par le Dr. Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article24&lang=fr
Par ailleurs, il a été observé des mortalités massives dans le phytoplancton et ces phénomènes peuvent aussi être considérés comme des facteurs principaux. [10-12] (Shutting Down the Oceans. Act I : Acid Oceans, Shutting Down the Oceans. Act II : Abrupt Plankton Shifts, et Shutting Down the Oceans Act III : Global Warming and Plankton ; Snuffing Out the Green Fuse, SiS 31) * [Voir ci-après les 3 versions en français de ces articles].
* "La détérioration des océans – Acte I : L’acidification des océans" par le Dr Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible ssur http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article255&lang=fr
* "La détérioration des océans – Acte II : Les brusques changements du plancton" par le Dr. Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ;accessible sur http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article256&lang=fr
* "La détérioration des océans – Acte III Le réchauffement planétaire et les océans ‘Le dernier souffle de l’écologie verte’ " par Dr. Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article257&lang=fr
Le déficit résultant de la photosynthèse signifie que l’oxygène n’est tout simplement pas renouvelé, tandis que le carbone séquestré prend beaucoup plus de temps pour être libéré.
Il est devenu évident pour certains d’entre nous que la réduction de CO 2 n’est pas suffisante : l’oxygène a sa propre dynamique et la baisse rapide des concentrations atmosphériques en oxygène O2 doi t également être pris en compte.
Bien qu’il y ait beaucoup plus d’oxigène O2 que de dioxyde de carbone CO2 dans l’atmosphère - 20,95% ou 209. 460 ppm d’O2 par rapport à environ 380 ppm de CO2 - les êtres humains, tous les mammifères, les oiseaux, les grenouilles, les papillons, les abeilles et tous les autres êtres vivants qui respirent de l’air, dépendent de ce niveau élevé d’oxygène dans l’air pour leur bien-être [13] ] Living with Oxygen (SiS 43).
Chez les êtres humains, l’échec du métabolisme énergétique à partir de l’oxygène est le facteur de risque le plus important pour les maladies chroniques, dont les cancers, et la mort. La "déficience en oxygène" est actuellement fixée à 19,5% dans des espaces fermés pour la santé et la sécurité [14] ; en dessous de cette tenueur en O2, l’évanouissement et la mort peuvent se manifester.
La photosynthèse terrestre et la photosynthèse océanique représentent chacune environ la moitié de toute la production d’oxygène. Le phytoplancton océanique est particulièrement important, car il travaille sur des échelles de temps plus courtes. Il est littéralement en première ligne pour permettre la vie de la biosphère.
Lorsque le phytoplancton se porte bien, l’oxygène ne se contente pas d’être épuisé dans les océans, mais il diminue aussi dans l’atmosphère, car la solubilité de l’oxygène dans l’eau est très faible. Le résultat peut se traduire par des extinctions massives d’animaux à respiration aérienne, comme cela s’était déjà produit à la fin du Permien, il y a 251 millions d’années mais, cette fois-ci, l’espèce humaine serait incluse dans le nombre de morts et de disparus.
Nous devons mettre un terme dès maintenant à la déforestation et replanter des forêts pour protéger notre source d’oxygène sur la planète terre. Dans le même temps, nous devons éviter le réchauffement planètaire [et son corollaire le changement climatique] et éviter également l’acidification des océans, en passant à des options énergétiques véritablement renouvelables et "zéro-carbone" [en termes d’émissions] telles que celles qui sont décrites dans cet article, ainsi que dans de nombreux autres articles déjà disponibles [15] Green Energies - 100% renouvelables d’ici 2050 , le rapport de l’ISIS) *.
* On peut également se reporter aux articles suivants :
– "Le pouvoir aux populations : 100% d’énergies renouvelables d’ici 2050" par le Dr. Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article101&lang=fr
– "100% d’énergies renouvelables en Allemagne d’ici 2050 : un exemple pour tous les pays industrialisés" par le Dr. Mae-Wan Ho & le Professeur Peter Saunders. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article98&lang=fr
– "La maîtrise du pouvoir vert, Green Power Rules" par Sam Burcher. Conférence de lancement du rapport ‘Green Energies - 100% Renewable by 2050’. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article91&lang=fr

© 1999-2012 The Institute of Science in Society
Contact the Institute of Science in Society
MATERIAL ON THIS SITE MAY NOT BE REPRODUCED IN ANY FORM WITHOUT EXPLICIT PERMISSION. FOR PERMISSION, PLEASE CONTACT ISIS

Définitions et compléments

Traduction, définitions et compléments :

Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.
Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles
Adresse : 585 Chemin du Malpas 13940 Mollégès France
Courriel : jacques.hallard921@orange.fr
Fichier : ISIS Biologie OGM Photosynthetic Bacterium Converts CO2 into Petrochemical & O2 French version.2