Study of CO2 valorisation by hydrogenotrophic methanogenesis in a geological storage context

L'augmentation spectaculaire dans l'atmosphère des concentrations de gaz à effet de serre issus de l’activité humaine menace l'équilibre des écosystèmes, y compris notre mode de vie. Il est urgent de développer des technologies permettant de réduire ces émissions anthropiques, en particulier celles de CO2. Une stratégie prometteuse consiste à stocker le CO2 dans des formations géologiques profondes, comme les aquifères salins profonds, où il pourrait être recyclé en CH4 par les microorganismes endémiques. Les structures géologiques ciblées lors de cette étude sont des aquifères salins profonds d’un kilomètre avec une température allant jusqu'à 100°C et une pression hydrostatique allant jusqu'à 150 bar. Les méthanogènes hydrogénotrophes, qui peuvent transformer le CO2 et le H2 en méthane (CO2 + 4 H2 --> CH4 + 2 H2O), font partie des communautés microbiennes présentes dans ces environnements. Il est donc théoriquement possible d’imaginer ces aquifères salins profonds comme des macro-bioréacteurs pour un processus de valorisation du CO2 en méthane. Cependant, nos connaissances sont très fragmentaires sur le comportement de ces microorganismes face à une injection élevée de CO2, ainsi que sur le rendement de cette méthanogénèse. Des approches multi-échelles à haute pression ont donc été développées pour étudier cette réaction biochimique à l'échelle du laboratoire. Ces outils peuvent supporter des températures jusqu'à 150°C et des pressions jusqu'à 500 bar. Dans cette étude, la réaction de méthanogénèse est suivie dans des conditions simulant celles des aquifères salins profonds afin de déterminer les paramètres clés pour améliorer le potentiel de recyclage du CO2. La souche archéenne Methanococcus thermolithotrophicus est utilisée comme souche modèle et cultivée à 100 bar avec une variation de la pression partielle H2/CO2. De plus, la génération d'hydrogène biotique et abiotique pour alimenter la méthanogénèse est également étudiée. A terme, les outils développés doivent permettre (i) de mimer les conditions des écosystèmes profonds, (ii) d'estimer les rendements de production de méthane et (iii) de tester la possibilité de scénarios d'exploitation, tout en apportant de nouvelles technologies pour explorer la biosphère profonde.The dramatic increase in atmospheric concentrations of greenhouse gases resulting from human activity threatens the balance of ecosystems, including our way of life. There is an urgent need to develop technologies to reduce these anthropogenic emissions, especially CO2. One promising strategy is to store CO2 in deep geological formations, such as deep saline aquifers, where it could be recycled into CH4 by endemic microorganisms. The geological structures targeted in this study are deep saline aquifers up to one kilometre deep with temperatures up to 100°C and hydrostatic pressures up to 150 bar. Hydrogen-trophic methanogens, which can convert CO2 and H2 to methane (CO2 + 4 H2 --> CH4 + 2 H2O), are part of the microbial communities present in these environments. It is therefore theoretically possible to imagine these deep saline aquifers as macro-bioreactors for a process of CO2 valorization into methane. However, our knowledge is very fragmentary on the behaviour of these microorganisms in front of a high injection of CO2, as well as on the yield of this methanogenesis. Multi-scale approaches at high pressure have therefore been developed to study this biochemical reaction at the laboratory scale. These tools can handle temperatures up to 150°C and pressures up to 500 bar. In this study, the methanogenesis reaction is monitored under conditions simulating those of deep saline aquifers in order to determine key parameters to enhance the CO2 recycling potential. The archaeal strain Methanococcus thermolithotrophicus is used as a model strain and grown at 100 bar with varying H2/CO2 partial pressure. Moreover, the generation of biotic and abiotic hydrogen to feed methanogenesis is also studied. Ultimately, the tools developed should allow (i) to mimic the conditions of deep ecosystems, (ii) to estimate methane production yields and (iii) to test the possibility of exploitation scenarios, while providing new technologies to explore the deep biosphere