Avec l'intensification de l'escalade mondiale de la demande d'énergie et de l'intensification, les chercheurs explorent de nouvelles façons transformatrices de rendre la fabrication de produits chimiques durable.
Dans une revue publiée dans Nexus énergétique et environnementune équipe internationale dirigée par le Dr Yong Jiang et ses collègues de la Fujian Agriculture and Forestry University, Technical University of Danemark et Tsinghua University mettent en évidence les systèmes de synthèse « biohybrides » – une technologie innovante intégrant les cellules vivantes avec des matériaux avancés – pour débloquer la production propre de produits chimiques pour un avenir plus vert.
Les biohybrides représentent une percée en combinant les forces de la biologie et de la science des matériaux. Ces systèmes exploitent les sources d'énergie telles que l'électricité du courant direct, la lumière du soleil et même l'évaporation de l'eau ou le mouvement mécanique pour activer des matériaux abiotiques spécialement conçus.
Une fois excités, ces matériaux transfèrent des électrons vers des cellules microbiennes, catalysant la fabrication de produits chimiques à valeur ajoutée à partir de dioxyde de carbone (CO₂), de l'eau et d'autres substances simples. La revue détaille les progrès récents dramatiques: « Photosynthèse semi-artificielle » à énergie solaire « à l'aide de cellules microbiennes entières, de nouvelles conceptions d'électrodes et de systèmes en tandem qui accélèrent à la fois les étapes électrocatalytiques et biocatalytiques.
Une technologie focale, l'électrosynthèse microbienne (MES), utilise des électrodes biohybrides pour convertir le CO₂ en produits précieux. MES fonctionne dans des conditions douces, offrant une sélectivité et une stabilité dans la transformation du carbone des déchets en carburants et produits chimiques. L'équipe a mis en lumière les réactions en tandem médiées par le formate émergentes, où le formate agit comme un transporteur d'électrons et de carbone, permettant une bio-conversion plus rapide et des portes d'ouverture pour une synthèse chimique renouvelable efficace.
Les chercheurs discutent également des systèmes photosynthétiques semi-artificiels qui dépassent la photosynthèse naturelle en utilisant des matériaux semi-conducteurs pour canaliser l'énergie solaire plus efficacement. Ces systèmes hybrides ouvrent la voie à la production évolutive de produits chimiques comme le méthane, l'acétate et même les bioplastiques, directement à partir du soleil et du carbone capturé.
La revue explore les frontières suivantes dans la conception biohybride, introduisant des matériaux qui récoltent l'énergie des cycles d'eau naturels (effets hydrovoltaïques) et le mouvement mécanique (piézoélectricité). Ces avancées pourraient permettre des systèmes auto-alimentés qui opèrent dans divers environnements, fournissant de nouvelles solutions pour le traitement des eaux usées, la capture du carbone du sol et l'assainissement environnemental.
« Les technologies biohybrides sont sur le point de remodeler la synthèse chimique, d'exploiter les énergies renouvelables et l'ingéniosité biologique pour la protection de l'environnement », a déclaré le co-auteur, le Dr Shungui Zhou.
« La réalisation de leur potentiel nécessitera d'approfondir notre compréhension des interactions entre les matériaux avancés et les cellules vivantes, tout en explorant des sources d'énergie encore plus durables telles que les entrées magnétiques et thermiques. »
La recherche identifie les principaux défis à venir: optimiser le transfert d'électrons et d'énergie à l'interface entre les matériaux et les microbes, et les systèmes microbiens d'ingénierie pour une diversité de produits plus large.
Les auteurs espèrent que les biohybrides, en particulier ceux qui tirent parti des processus efficaces médiés par le formate, pourraient accélérer les progrès vers la fabrication chimique nette et zéro et la gestion environnementale résiliente.
