Traitement des eaux usées domestiques: quand les cyanobactéries prennent le pouvoir
Publié par Isabelle le 08/01/2018 à 12:00
Source et illustration: INRA

La plupart des microorganismes s'agrègent spontanément dans l'environnement. Les boues activées se conforment à cette règle et sont constituées d'amas de bactéries qui consomment la pollution des eaux usées en présence d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.). Des chercheurs de l'Inra et leurs collègues américains ont mis en évidence la transformation de boues activées en agrégats sphériques enrichis en cyanobactéries productrices d'oxygène, appelés photogranules. Ceux-ci ont potentiellement la capacité de traiter la pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on...) contenue dans les eaux usées sans apport extérieur d'oxygène et de produire une matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe...) première valorisable en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et pour l'agriculture. Ces résultats sont publiés le 20 décembre 2017 dans la revue Scientific Reports.

Si le traitement des eaux usées domestiques est maintenant généralisé dans les pays développés (Les pays développés à économie de marché (PDEM) sont des pays dont la majorité de la population accède à tous ses besoins vitaux ainsi qu'à un certain confort et à l'éducation. Les...), l'empreinte environnementale du procédé est réelle: 2 à 3 % de la consommation totale d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...) est utilisée pour le fonctionnement des bassins de boues activées - c'est-à-dire des bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des...) agrégées en amas granulaires suspendus dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) usée, en particulier pour apporter aux bactéries l'oxygène qui leur est nécessaire pour minéraliser la matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s'agit par exemple des...) et éliminer l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2,...).

Des chercheurs de l'Inra et leurs collègues américains ont découvert que certaines bactéries photosynthétiques sont susceptibles de s'agréger d'une manière particulière dans l'espace. Cette découverte permet de proposer une alternative ingénieuse et prometteuse qui tire parti de la capacité de ces bactéries à former des agrégats sphériques et à fournir notamment de l'oxygènein situà l'écosystème de dépollution.

Des photogranules microbiens riches en cyanobactéries...

L'histoire commence de façon fortuite, avec une fiole renfermant de la boue activée (Le procédé dit « à boues activées » utilise l'épuration biologique dans le traitement des eaux usées. C'est un mode d’épuration par cultures libres. Dans une filière...) oubliée près d'une fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.)... Contre toute attente, les scientifiques ont mis en évidence la transformation de cette boue (En sédimentologie, la boue est un mélange d'eau et de particules sédimentaires fines de limons et d'argiles.) activée en quelques semaines en présence de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...) en un granule quasi-sphérique. Ce phénomène a été reproduit avec des boues de provenances diverses.

L'analyse microscopique des granules révèle la présence d'une couche externe (  Ne pas confondre couche de valence et valence), principalement composée de cyanobactéries filamenteuses mobiles qui forment un feutre de filaments entrelacés qui en garantissent la cohésion structurale. La coloration superficielle bleu-vert des granules qui est due à la présence simultanée de chlorophylle α et de phycocyanines confirme la présence des cyanobactéries.

En conditions hydrodynamiques turbulentes, proches des conditions usuelles de traitement des eaux usées, les scientifiques constatent également la propagation et la croissance de ces photogranules, morphologiquement similaires à ceux obtenus en conditions statiques.

... pour une utilisation innovante dans le traitement des eaux usées domestiques

S'ils génèrent de l'oxygène grâce à la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le...), ces photogranules produisent également de la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. Dans le domaine de l'énergie, le terme de biomasse regroupe l'ensemble des matières...) en fixant le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) carbonique issus de la dégradation du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) contenu dans la pollution. Ces deux propriétés sont d'un grand intérêt pour le traitement de eaux usées notamment domestiques dans la mesure où la production in situ d'oxygène peut remplacer avantageusement l'introduction d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...), au demeurant coûteuse, tandis que la biomasse produite, contenant des nutriments peut servir d'engrais (Les engrais sont des substances, le plus souvent des mélanges d'éléments minéraux, destinées à apporter aux plantes des compléments...) ou de source d'énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine. Les énergies renouvelables...), par exemple par la conversion en méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes...). Il reste désormais à maîtriser le mécanisme de formation des photogranules pour développer leur utilisation dans le bioprocédé.

L'utilisation de photogranules dans le traitement des eaux usées bouscule le rôle traditionnellement dévolu aux stations d'épuration et couple dans un même procédé innovant une dépollution à faible empreinte énergétique avec un recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des...) de la matière organique valorisable. Plus encore, elle répond potentiellement aux enjeux de durabilité d'une bioéconomie qui repose sur le développement de bioprocédés maitrisés, éco-conçus, intégrant des technologies innovantes, plus flexibles et robustes, et plus économes en ressources.

Les cyanobactéries, en quelques mots

Apparues il y a environ 2,5-3 milliards d'années, les cyanobactéries ont contribué à l'expansion des formes actuelles de vie (La vie est le nom donné :) sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) grâce à leur capacité à produire de l'oxygène par photosynthèse. Il existe une grande diversité de morphologies et de physiologies parmi les cyanobactéries. Elles jouent également un rôle majeur dans le fonctionnement des écosystèmes grâce à leur aptitude à fixer le carbone et l'azote atmosphériques.

Connues pour proliférer de façon parfois importante, les cyanobactéries peuvent alors être à l'origine de nombreux problèmes parmi lesquels la production de toxines potentiellement dangereuses pour l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction,...) et l'animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe,...).

Présentes dans les eaux douces ou salées, à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) des sols, dans les zones froides ou chaudes, ces bactéries sont aussi des organismes pionniers des milieux désertiques et autres environnements extrêmes.

Référence publication:
Kim Milferstedt, W. Camilla Kuo-Dahab, Caitlyn S. Butler, Jérôme Hamelin, Ahmed S. Abouhend, Kristie Stauch-White, Adam McNair, Christopher Watt (Le watt (symbole W) est une unité dérivée du système international pour la puissance. Un watt est la puissance d'un système énergétique dans lequel une énergie de 1 joule est transférée...), Blanca I. Carbajal González, Sona Dolan, Chul Park. The importance of filamentous cyanobacteria in the development (Development est une revue scientifique bimensuelle à comité de lecture couvrant tous les champs de la génétique évolutive du...) of unusual oxygenic photogranules. Scientific Reports, doi:10.1038/s41598-017-16614-9.

Contact scientifique:
- Kim Milferstedt Laboratoire de Biotechnologie (L’OCDE définit les biotechnologies comme "l’application de la science et de la technologie aux organismes vivants à d’autres...) de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le...)
- Jérôme Hamelin Laboratoire de Biotechnologie de l'environnement
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