La production d’hydrogène par photosynthèse

Source : article extrait de Clefs CEA N°50 – 51   Hiver 2004-2005

Alfred William Rutherford

Direction des sciences du vivant

CEA centre de Saclay

Des chercheurs cherchent à imiter ce que font naturellement certains micro-organismes (bactéries et micro-algues) : fabriquer de l’hydrogène à partir de l’eau, grâce à l’énergie lumineuse.

Principe utilisé: la photosynthèse

Les plantes, les algues, et certaines bactéries utilisent la photosynthèse pour convertir l’énergie solaire en énergie chimique. Ainsi la principale source d’énergie de la biosphère est la photosynthèse.

La partie photophysique de ce processus implique l’absorption de la lumière visible par un pigment vert la chlorophylle . Ces molécules sont fixées à des protéines membranaires et organisées de façons à capter le plus grand nombre possible de photons solaires.

En fait il n’existe pas une sorte de chlorophylle mais plusieurs qui diffèrent par leur structure moléculaire et leurs propriétés d’absorption du spectre lumineux. Des pigments non chlorophylliens interviennent aussi dans la capture de cette énergie.

La source principale de carbone pour la biosphère est le dioxyde de carbone qui, pour être intégré dans les molécules carbonées nécessaires à la vie, doit être réduit.

Cette réduction consiste à apporter des protons et des électrons au CO2. La photosynthèse fournit ces électrons réducteurs. Les organismes photosynthétiques prélèvent ces électrons à l’eau. Une des conséquences du prélèvement d’électrons à l’eau est le dégagement d’oxygène dans l’environnement.

Utilisation de la photosynthèse pour produire de l’énergie

L’objectif des chercheurs est d’utiliser les électrons à haut potentiel réducteur générés par la photochimie non pour incorporer du CO2 dans des molécules organiques mais pour réduire des protons et produire de l’hydrogène moléculaire.

Ainsi si les électrons utilisés dans ce processus pouvaient être prélevés sur l’eau comme lors de la photosynthèse chez certains organismes nous disposerions d’un moyen idéal de production d’énergie : l’énergie solaire produisant de l’hydrogène à partir de l’eau.

 Difficultés

Chez de nombreux micro-organismes la production d’hydrogène est catalysée par une enzyme qui est détruite ou inhibée par l’oxygène, or comme nous l’avons vu précédemment l’oxydation de l’eau produit de l’oxygène moléculaire : les deux processus doivent donc être séparés. Le problème a été résolu chez certaines algues et certaines cyanobactéries où se réalisent l’oxydation de l’eau et la production d’oxygène : les deux processus ont lieu soit dans des compartiments différents ou soit à des moments différents du cycle vital.

Ce sont des pistes de recherche pour les scientifiques : actuellement deux directions de travail existe :

- un travail sur des cultures de micro-organismes qui dans certaines conditions consomme tout l’oxygène du milieu puis met en route la synthèse de son enzyme de production d’hydrogène,

-         un travail sur des systèmes artificiels inspirés du processus biologique.

Recherche française et européenne

A Cadarache, des spécialistes s’attachent à comprendre les mécanismes de la photoproduction d’hydrogène afin de développer des souches d’algues plus efficaces.

A Saclay, des efforts sont faits pour améliorer, par voie génétique, les souches d’algues et de bactéries pour la  production d’hydrogène. Les chercheurs travaillent en lien avec des chimistes qui conçoivent de nouveaux catalyseurs et réalisent une caractérisation des propriétés des photosystèmes artificiels créés.

A Grenoble, la recherche se porte sur les enzymes producteurs d’hydrogène. Des équipes cherchent à diminuer, par ingénierie moléculaire, leur sensibilité à l’oxygène, d’autres mettent au point des complexes biomimétiques capables de réduire les protons en hydrogène.