Des chercheurs fabriquent des batteries périphériques robotiques miniatures

Des chercheurs de l’Institut de microbiologie de l’Académie chinoise des sciences ont mis au point une batterie océanique robotisée miniature, une cellule biosolaire qui convertit la lumière en électricité, en simulant la structure écologique de base des écosystèmes microbiens marins. Cette étude a été publiée dans Communication Nature.

Les océans couvrent environ 70 % de la surface de la Terre. D’un point de vue énergétique, écosystèmes marins Il s’agit d’un système de bioconversion solaire massif où les processus de conversion d’énergie sont dominés par des micro-organismes.

Conversion d’énergie en mer Écosystèmes Cela commence par la photosynthèse. Les micro-organismes de la photosynthèse, appelés producteurs primaires, situés dans la région euphotique de la colonne d’eau, absorbent l’énergie solaire et convertissent les photons en électrons qui servent à fixer le dioxyde de carbone dans matière organique. La matière organique est consommée en partie par le plancton vivant dans la colonne d’eau et en partie déposée dans les sédiments marins où des micro-organismes anaérobies ou strictement anaérobies extraient la matière organique complexe en dioxyde de carbone par oxydation successive.

Les micro-organismes présents dans les sédiments marins peuvent être divisés en deux groupes. Un groupe, appelé décomposeurs primaires, est responsable de la décomposition de la matière organique complexe en composés organiques simples ; L’autre groupe, appelé consommateurs finaux, est responsable de l’oxydation complète de composés organiques simples et de la libération d’électrons pour la réduction biologique d’éléments tels que l’azote, le fer, le manganèse et le soufre. En fixant le carbone photosynthétique et en minéralisant la matière organique, les écosystèmes microbiens marins utilisent l’énergie solaire pour piloter les cycles biogéochimiques.

Vus de l’espace extra-atmosphérique, les écosystèmes microbiens marins dotés d’une fonction de conversion photoélectrique peuvent être considérés comme une « batterie océanique » massive chargée par l’énergie solaire. Cependant, la distribution spatiale et temporelle des micro-organismes dans les écosystèmes marins est énorme, le transfert d’électrons est lent et lent, et donc l’efficacité de conversion photoélectrique est faible. Les chercheurs ont suggéré qu’il est possible de développer une batterie périphérique à compression temporelle avec une efficacité énergétique considérablement améliorée.

Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont extrait la structure de base des écosystèmes microbiens marins. Ils ont conçu et construit une communauté microbienne synthétique composée du produit primaire (cyanobactéries), de la solution initiale (Escherichia coli) et des consommateurs finaux (Shewanella oneidensis et Geobacter sulfurreducens) pour la conversion photoélectrique.

Dans cette communauté microbienne artificielle, les cyanobactéries modifiées sont capables de synthétiser le saccharose à partir du dioxyde de carbone en utilisant l’énergie lumineuse et de stocker l’énergie lumineuse dans le saccharose ; L’Escherichia coli modifié est responsable de la dégradation du saccharose en lactate ; S. oneidensis et G. sulfurreducens oxydent complètement le lactate en Le dioxyde de carbone Par oxydation successive et transfert d’électrons vers les électrodes à l’extérieur de la cellule pour générer un courant électrique, convertissant ainsi l’énergie lumineuse en électricité.

Les chercheurs ont montré que la communauté microbienne à quatre espèces était nettement plus performante que la communauté à trois espèces sans G. sulfurreducens et que la communauté à deux espèces sans E. coli et G. La structure écologique complète des écosystèmes microbiens marins est essentielle pour obtenir une conversion photoélectrique efficace. . La densité d’énergie maximale pour cette communauté microbienne de quatre espèces était de 1,7 W/m²qui est d’un ordre de grandeur supérieur au système PV à deux types rapporté par les auteurs dans des travaux antérieurs (Zhu et al, Communication Nature2019, 10:4282).

Les chercheurs ont en outre découvert que l’oxygène produit par les cyanobactéries lors de la photosynthèse permettait la respiration aérobie d’Escherichia coli et de S. oneidensis, et que l’oxygène empêchait la génération d’électricité par les performances globales de S. oneidensis et G.. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont bloqué la voie respiratoire aérobie d’Escherichia coli et de S. oneidensis. Ils ont développé un hydrogel conducteur avec des propriétés de barrière à l’oxygène. Un hydrogel conducteur a été utilisé pour encapsuler E. coli, S. oneidensis et G. sulfurreducens pour former une couche sédimentaire diélectrique artificielle en oxygène capable de transfert d’électrons.

En assemblant une couche de sédiments artificiels contenant le décomposeur primaire (E. coli) et les consommateurs finaux (S. oneidensis et G. sulfurreducens) avec une couche de colonne d’eau contenant un produit primaire (cyanobactérie), les chercheurs ont finalement assemblé une cellule biosolaire intégrée. convertit directement la lumière en électricité pendant plus d’un mois.

Cette biocellule solaire simule la structure physique de base et la structure écologique d’une batterie océanique, avec l’échelle spatio-temporelle fortement comprimée et le nombre d’espèces au minimum, et peut donc être considérée comme une batterie océanique électronique miniature.

Cette étude démontre qu’une communauté microbienne artificielle spatio-temporelle et miniature peut reproduire la fonction de conversion photoélectrique des écosystèmes microbiens marins. La énergie L’efficacité de cette batterie électronique océanique est supérieure à celle des écosystèmes marins en raison du dépassement du modèle de transfert d’électrons lent et en forme de grille.

Le développement de batteries électroniques miniatures océaniques améliore l’efficacité des cellules photovoltaïques et ouvre une nouvelle voie pour le développement de cellules biosolaires efficaces et stables. Cette étude démontre également le potentiel de la biotechnologie pour l’écologie synthétique.