Des chercheurs ont développé un système pouvant capturer le CO₂ présent dans l’eau de mer et de le convertir en précurseurs de plastique biodégradable. Basé sur une conversion électrochimique facilitée par une bactérie marine génétiquement modifiée, le procédé atteindrait un rendement de 70 % pour une consommation d’environ 3 kWh par kilogramme, ce qui permettrait de réduire le coût de capture du CO₂ par rapport aux systèmes actuels.
Absorbant environ 26 % des émissions de CO₂ d’origine anthropique, l’océan est, après la lithosphère, le plus grand réservoir actif de carbone de la planète. Ce CO₂, absorbé directement depuis l’atmosphère, s’accumule sous forme de carbone inorganique dissous, composé de CO₂ libre ainsi que d’ions bicarbonate et carbonate. Cela fait que la teneur en CO₂ dans l’océan est jusqu’à 150 fois supérieure à celle de l’atmosphère.
La capture de CO₂ par les océans s’effectue grâce à des mécanismes naturels orchestrés par les organismes marins, en particulier le phytoplancton, via la photosynthèse. Cependant, si cela souligne le rôle essentiel de l’océan en tant que puits de carbone, l’accumulation excessive de CO₂ dans l’atmosphère perturbe l’équilibre entre le taux de carbone atmosphérique et océanique.
Ce déséquilibre entraîne l’acidification des océans, qui, à son tour, nuit aux organismes marins et bouleverse l’équilibre des écosystèmes. Par ailleurs, les interactions entre l’océan et l’atmosphère posent le risque d’un effet rebond, au cours duquel le CO₂ océanique, précédemment séquestré, pourrait être réémis dans l’atmosphère si les concentrations atmosphériques de CO₂ venaient à diminuer.
Des techniques de capture du CO₂ océanique sont proposées afin d’atténuer ces déséquilibres et l’acidification marine. Parmi elles, le captage électrochimique direct s’impose comme une alternative prometteuse, permettant à la fois de réduire la concentration de CO₂ dans l’eau et de valoriser ce gaz en ressource durable pour la production de composés chimiques et de matériaux essentiels, tels que les plastiques.
Les techniques de captage électrochimique direct consistent généralement à absorber le CO₂ très dilué dans l’air — une approche connue sous le nom de capture directe de l’air (DAC) — puis à le concentrer pour l’introduire dans un convertisseur chimique. Cependant, ces processus se révèlent très énergivores, notamment en raison de l’équilibre naturel entre l’océan et l’atmosphère. Cela entraîne des coûts d’investissement et d’exploitation importants.
Une équipe de l’Académie chinoise des sciences et de l’Université des sciences et technologies électroniques de Chine propose une nouvelle méthode consistant à convertir le CO₂ en précurseurs de plastique biodégradable. « Notre système intègre les procédés de capture directe et de conversion du CO₂ dans les océans grâce à une approche biocatalytique facilitée par des bactéries marines », expliquent les chercheurs dans leur étude publiée hier dans la revue Nature Catalysis.
Résumé graphique de l’étude. © Chengbo Li et al.Un microorganisme marin convertissant le CO₂ en produit utile
Le nouveau système repose sur un réacteur spécialisé traitant l’eau de mer naturelle par acidification. Autrement dit, le réacteur isole le CO₂ dissous en le séparant des ions carbonate et bicarbonate. Le CO₂ purifié est ensuite récupéré, tandis que l’eau est restituée à l’océan sous sa forme chimique naturelle.
Le CO₂ capturé est introduit dans un second réacteur contenant un catalyseur à base de bismuth, qui le transforme en un liquide concentré appelé acide formique. Ce composé constitue un intermédiaire chimique clé, servant de source de carbone pour les microorganismes marins.
La dernière étape consiste à nourrir des Vibrio natriegens, des microorganismes marins génétiquement modifiés, avec cet acide formique. Le composé est métabolisé et converti en acide succinique, utilisé ensuite comme précurseur pour la synthèse de plastiques biodégradables tels que le polybutylène succinate (PBS).
Une illustration du système de recyclage du carbone océanique qui capture et convertit le CO2 océanique en produits biochimiques. © Chengbo Li et al.Un coût de 229,9 dollars contre 373 dollars pour les systèmes standards
D’après l’équipe, le système de capture atteint un rendement de 70 %, pour une consommation d’environ 3 kilowattheures par kilogramme de CO₂, en fonctionnement continu durant 536 heures. Le coût de capture est également significativement réduit, s’élevant à 229,9 dollars américains par tonne de CO₂, contre au moins 373 dollars américains pour les systèmes conventionnels. Les chercheurs ont en outre obtenu un taux de production d’acide succinique atteignant 1,37 gramme par litre d’eau de mer.
Bien que le système soit stable et potentiellement évolutif, des ajustements demeurent nécessaires pour améliorer les rendements et adapter la technologie à une production industrielle, précisent les chercheurs. Le système pourrait contribuer à une économie circulaire du plastique et aux objectifs de décarbonation.
Il pourrait également être adapté à la production d’une grande variété d’autres composés chimiques dérivés du CO₂, susceptibles d’être utilisés dans les carburants, les médicaments ou encore les produits alimentaires, en modulant les catalyseurs électrochimiques ou les microorganismes employés.