Un pas en avant pour l’électronique biodégradable
Un organisme filamenteux multicellulaire, présent dans les sédiments d’eau douce et marins, est capable de transférer des électrons sur des distances de l’ordre du centimètre. Les bactéries câbles(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), comme on les appelle, peuvent faciliter le transport d’électrons en oxydant le sulfure présent dans les sédiments profonds et en transportant les électrons pour réduire l’oxygène à la surface. Et il y en a beaucoup: Dans une couche supérieure de sédiments de 15 cm, des densités de bactéries filamenteuses fournissant une longueur totale allant jusqu’à 2 km par centimètre carré de surface ont été notées(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Kartik Aiyer(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), boursier postdoctoral Marie Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) basé au Centre d’électromicrobiologie à l’Université d’Aarhus(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), explique: «Elles sont uniques dans leur capacité à répartir le travail métabolique(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) entre différentes cellules du câble. En d’autres termes, alors que certaines cellules enfouies dans le sédiment anoxique produisent de l’énergie en oxydant un donneur d’électrons (le plus souvent du sulfure), d’autres cellules réduisent l’oxygène dans la zone oxique en effectuant une autre demi-réaction d’oxydoréduction(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) ». Le projet Cable Electricity O2 visait à développer un système bioélectrochimique qui alterne entre production d’électricité et stockage d’énergie, en utilisant des bactéries. L’objectif est d’alimenter un microprocesseur par des moyens biologiques, ce qui, en cas de succès, pourrait ouvrir la voie à l’électronique biodégradable.
Les cultures enrichies en bactéries câbles génèrent du courant électrique
Les bactéries ont été intégrées dans un système de gestion de l’énergie composé d’une puce microprocesseur, d’un circuit de mesure du courant et de la tension et d’un microcontrôleur pour alimenter le microprocesseur avec des électrons obtenus à partir du sédiment. Pour étudier l’électroactivité potentielle des bactéries du câble, une cellule à trois électrodes composée d’une électrode de travail en feutre de carbone, d’une électrode de référence Ag/AgCl et d’une contre-électrode en Ti a été inoculée avec des sédiments d’eau douce. «Le sédiment a été enrichi par la souche unique E. aureum GS. Aucune autre souche de bactérie câble n’était présente. Après l’inoculation, le courant a montré une augmentation sigmoïdale», explique Kartik Aiyer. Pour mieux comprendre la contribution spécifique des bactéries câbles au courant global mesuré, un autre ensemble de cellules à trois électrodes a été inoculé avec des sédiments autoclavés. «Nous avons ajouté environ dix bactéries câbles propres après les avoir pêchées dans le sédiment à l’aide d’hameçons en verre stérilisés. Par rapport aux sédiments témoins autoclavés, l’ajout de bactéries câbles vivantes a produit une nette augmentation du courant, mettant en évidence leur rôle spécifique dans la stimulation de l’électroactivité du système», note Kartik Aiyer.
Processeurs à base de bactéries pour l’électronique biodégradable
L’équipe a réussi à cultiver des bactéries câbles sur des électrodes. Cela a pris plus de temps que prévu, mais un système reproductible a été mis en place, comme le montre leur récent article(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Kartik Aiyer estime que cela établit les fondements biologiques de la production d’énergie, dans le cadre d’un effort général visant à trouver des moyens de produire des dispositifs électroniques biocompatibles et biodégradables. La découverte la plus importante du projet a été que les bactéries filamenteuses peuvent être cultivées directement sur les électrodes au lieu d’être cultivées avec de l’oxygène comme on le voit dans la nature. Le soutien de l’UE a permis cette découverte. «Nous connaissions déjà leur capacité à déplacer des électrons en interne sur des distances de l’ordre du centimètre, mais nous ne savions pas qu’ils pouvaient également échanger des électrons directement avec des surfaces solides telles que des électrodes. La démonstration de ce comportement nous donne, pour la première fois, un moyen contrôlé d’étudier comment les bactéries câble interagissent électriquement avec leur environnement: une étape essentielle avant que des applications pratiques puissent être développées.»
