Respiration sur électrode

Respiration sur électrode 

Le mode de transfert le plus courant dans la production de courant par les bactéries électroactives reste le transfert direct d’électrons par les cytochromes de type c (CTCs). Les CTCs sont des protéines qui contiennent des hèmes, très répandues chez les bactéries et les archées. Shewanella oneidensis MR-1 possède 42 CTCs dont 80% localisés sur sa membrane externe (Lower et al., 2005). CymA est un CTC ancré dans la membrane interne et exposé au périplasme (Figure I-15 III) qui participe à beaucoup de processus de respiration anaérobie. Le complexe MtrABC, quant à lui, joue un rôle clef dans le transfert d’électrons de l’électrode à la cellule. Les trois protéines qui composent ce système sont associées et dépendent fonctionnellement l’une de l’autre. MtrC et OmcA sont deux protéines lipidiques qui sont considérées comme les dernières réductases extracellulaires chez Shewanella MR-1. Bien qu’OmcA soit capable de transférer des électrons à de nombreux accepteurs solides in vitro, MtrC serait plus impliquée dans les transferts extracellulaires d’électrons de Shewanella. (Yang et al., 2012). (I) Le transfert d’électrons par les cytochromes C de la membrane externe chez Geobacter, (II) Transfert d’électrons par des pili conducteurs, (III) Transfert d’électrons par Shewanella par le biais de flavines et cytochromes de types C, (IV) Couplage de la respiration sur anode et de la production d’energie. Une comparaison génomique de six espèces de Geobacter a montré une moyenne de 79 cytochromes de type C pour chaque génome dont 14 % étaient communs à tous ces génomes étudiés (Butler et al., 2010). Il a été proposé que la protéine membranaire MacA transmette des électrons depuis la membrane interne de la cellule au transporteur PpcA du périplasme, qui les transmet à son tour au cytochrome de type c de la membrane externe, en contact direct avec l’anode (Lovley, 2008) (Figure I-15 I).

Détermination thermodynamique de la tension à appliquer

Pour qu’une réaction chimique ait lieu, il faut qu’elle soit thermodynamiquement favorable. Ceci est déterminé avec l’enthalpie libre (ou énergie de Gibbs) de la réaction (ΔGr) qui représente la variation des forces, hors pression, s’exerçant sur le système. L’énergie de Gibbs de la réaction doit être négative pour que la réaction se fasse spontanément. L’enthalpie libre de la réaction se calcule comme suit : L’enthalpie standard de la réaction étant positive, une source d’énergie extérieure doit être apportée au système. Dans une cellule d’électrolyse microbienne, la réaction peut se faire grâce à l’apport d’énergie électrique. Pour que l’électrolyse microbienne se produise, il faut apporter une différence de potentiel supérieure à ΔGr La valeur du potentiel à l’équilibre de l’équation globale d’oxydation de l’acétate en bicarbonate se déduit des potentiels à l’équilibre des demi-équations d’oxydation et de réduction, respectivement à l’anode et à la cathode :  . Le potentiel à l’équilibre peut alors être calculé en utilisant les tables de potentiels standards des demi- équations d’oxydation et de réduction et en appliquant l’équation de Nernst qui définit pour un couple oxydant-réducteur de demi-équation : x Ox + ne- = y Red, le potentiel à Les potentiels à chaque électrode, d’après leurs équations de Nernst, dépendent de l’activité des protons en solution. Ils dépendent donc du pH de la solution.

Le potentiel de la cathode EC et donc le potentiel d’équilibre dépendent également de la pression partielle de H2 (BE Logan et al. 2008). Dans les conditions standards, une augmentation de la pression partielle de 1 à 10 bars induit une modification du potentiel d’équilibre à compenser de -0,14 V à -0,17 V. Il en est de même pour une pression partielle en H2 de 100 bar : Eeq = -0,20 V. Il apparait donc nécessaire, afin de ne pas limiter la production d’hydrogène et de permettre un meilleur rendement énergétique, de soutirer l’hydrogène à mesure qu’il est produit. De la même façon, il est possible d’augmenter le rendement de production en diminuant la pression partielle de H2 (dégazage) (Logan et al., 2008). La performance du réacteur est exprimée en termes de conversion en hydrogène, de densité volumique d’hydrogène et de taux de production d’hydrogène. Le nombre total théorique de moles produites, basé sur l’abattement de DCO est le suivant (Logan et al., 2008):  En pratique, l’utilisation des systèmes bioélectrochimiques pour le traitement d’effluents contenant divers composés organiques nécessite un consortium microbien qui présente une grande versatilité pour convertir les substrats organiques en énergie électrique. Cependant, la structure de la communauté bactérienne est fortement déterminée par les substrats consommés (AGVs), plus que par l’inoculum initial (Freguia et al., 2010). De plus, la plupart des espèces prédominantes de ces communautés ont une activité métabolique limitée,  Les systèmes bioélectrochimiques alimentés avec de l’acétate présentent des profils de communautés microbiennes dominés par des Geobacteraceae (Jung and Regan, 2007; Chae et al., 2009; Xing et al., 2009; Kiely, Rader, et al., 2011). En comparant les rendements faradiques de piles à combustible alimentées avec de l’acétate ou du butyrate, Liu et al. (2005) ont montré que les biofilms produisent 50% de moins d’électricité quand ils oxydent du butyrate plutôt que de l’acétate en utilisant des eaux usées pour inoculum. Cette famille de bactéries (Geobacteraceae) ne serait pas impliquée dans la conversion du butyrate en électrons. Dans ce cas, des espèces de Pseudomonas et de Bacillus (à Gram positif) sont abondantes dans ces réacteurs et oxyderaient préférentiellement ce substrat (Freguia et al., 2010).

 

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