Mécanismes de production d'hydrogène et potentiel biologique d'optimisation
Production d'hydrogène par les micro-organismes photosynthétiques

De nombreux micro-organismes ont la capacité de produire de l'hydrogène. Pour plusieurs espèces de bactéries fermentaires, la production d'hydrogène permet d'extraire de l'énergie à partir de composés organiques, en l'absence de substrats respiratoires tels que l'oxygène. Ainsi, ce sont les protons en solution dans le milieu intracellulaire qui servent d'accepteurs d'électrons pour la réoxydation de cofacteurs nécessaires à la métabolisation des composés organiques. Chez certains micro-organismes photosynthétiques, ces voies de fermentation sont également présentes ; de surcroît, l'énergie solaire peut stimuler la production d'hydrogène, soit à partir de matière organique dans le cas de bactéries photosynthétiques anoxygéniques (on parle alors de « photofermentation »), soit à partir d'eau dans le cas de certaines cyanobactéries et microalgues (biophotolyse de l'eau).

Ces différents modes de production microbienne ont des applications potentielles, mais leur mise en œuvre se heurte à différents types de verrous biologiques et technologiques, dont la nature dépend des caractéristiques des micro-organismes considérés. La synthèse d'hydrogène couplée à la photosynthèse oxygénique permet d'envisager des modes de production propres et renouvelables, utilisant l'eau et l'énergie solaire comme principales ressources. Mais la sensibilité des enzymes productrices d'hydrogène à l'oxygène constitue une limitation majeure à l'élaboration de procédés reposant sur ce principe. Des stratégies d'ingénierie diverses, aux niveaux enzymatique, métabolique et à celui du procédé, doivent être développées pour assurer des modes pérennes de production d'H₂ par ces processus. La mise en œuvre de la production d'hydrogène à partir de micro-organismes photosynthétiques est réalisée dans des dispositifs appelés « photobioréacteurs », dans lesquels on cherche à optimiser les conditions de production. Pour le cas des microalgues, le procédé de production d'hydrogène, du fait de la succession de phases oxygéniques et anoxiques, peut être réalisé dans deux photobioréacteurs différents ou dans un seul, soit en utilisant un contrôle strict des nutriments et de la lumière reçue, soit en fixant les microalgues sur des supports de manière à changer aisément le milieu de culture.