BIOREMÉDIATION: CARACTÉRISTIQUES, TYPES, AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS - LA BIOLOGIE - 2025

La bioremédiation est un ensemble de biotechnologies d'assainissement utilisant les capacités métaboliques de microorganismes bactériens, champignons, plantes et / ou enzymes isolées, pour éliminer les contaminants dans le sol et l'eau.

Les micro-organismes (bactéries et champignons) et certaines plantes peuvent biotransformer une grande variété de composés organiques polluants et toxiques, jusqu'à ce qu'ils ne soient pas nocifs ou inoffensifs. Ils peuvent même biodégrader certains composés organiques à leurs formes les plus simples, comme le méthane (CH ₄) et le dioxyde de carbone (CO ₂).

Figure 1. Contamination de l'environnement par une marée noire, traitée par la suite par biorestauration. Source: commons.wikimedia.org

Certains micro-organismes et plantes peuvent également extraire ou immobiliser des éléments chimiques toxiques, tels que les métaux lourds, dans l'environnement (in situ). En immobilisant la substance toxique dans l'environnement, elle n'est plus disponible pour les organismes vivants et ne les affecte donc pas.

Par conséquent, la réduction de la biodisponibilité d'une substance toxique est également une forme de biorestauration, bien qu'elle n'implique pas l'élimination de la substance de l'environnement.

Il existe actuellement un intérêt scientifique et commercial croissant pour le développement de technologies économiques et à faible impact environnemental (ou «respectueuses de l'environnement»), telles que la biorestauration des eaux de surface et souterraines, des boues et des sols contaminés.

Caractéristiques de la bioremédiation

Contaminants pouvant être biorémédiés

Parmi les polluants biorémédiés, figurent les métaux lourds, les substances radioactives, les polluants organiques toxiques, les substances explosives, les composés organiques dérivés du pétrole (hydrocarbures polyaromatiques ou HPA), les phénols, entre autres.

Conditions physico-chimiques pendant la biorestauration

Étant donné que les processus de biorestauration dépendent de l'activité des micro-organismes et des plantes vivantes ou de leurs enzymes isolées, les conditions physico-chimiques appropriées doivent être maintenues pour chaque organisme ou système enzymatique, afin d'optimiser leur activité métabolique dans le processus de biorestauration.

Facteurs à optimiser et à maintenir tout au long du processus de bioremédiation

-La concentration et la biodisponibilité du polluant dans les conditions environnementales: car s'il est trop élevé, il peut être nocif pour les mêmes micro-organismes qui ont la capacité de les biotransformer.

-Humidité: la disponibilité de l'eau est essentielle pour les organismes vivants, ainsi que pour l'activité enzymatique des catalyseurs biologiques acellulaires. En général, une humidité relative de 12 à 25% doit être maintenue dans les sols subissant une biorestauration.

-Température: elle doit être dans la plage qui permet la survie des organismes appliqués et / ou l'activité enzymatique requise.

-Les nutriments biodisponibles: indispensables à la croissance et à la multiplication des microorganismes d'intérêt. Surtout, le carbone, le phosphore et l'azote doivent être contrôlés, ainsi que certains minéraux essentiels.

-L'acidité ou l'alcalinité du milieu aqueux ou pH (mesure des ions H ⁺ dans le milieu).

-La disponibilité de l'oxygène: dans la plupart des techniques de bioremédiation, des microorganismes aérobies sont utilisés (par exemple dans le compostage, les biopiles et le «landfarming»), et l'aération du substrat est nécessaire. Cependant, les microorganismes anaérobies peuvent être utilisés dans les procédés de bioremédiation, dans des conditions très contrôlées en laboratoire (à l'aide de bioréacteurs).

Types de bioremédiation

Parmi les biotechnologies de bioremédiation appliquées, on trouve les suivantes:

Biostimulation

La biostimulation consiste en une stimulation in situ des micro-organismes déjà présents dans l'environnement qui a été contaminé (micro-organismes autochtones), capables de biorémédier la substance contaminante.

La biostimulation in situ est obtenue en optimisant les conditions physico-chimiques pour que le processus souhaité se produise, c'est-à-dire; pH, oxygène, humidité, température, entre autres, et ajout des nutriments nécessaires.

Bioaugmentation

La bioaugmentation consiste à augmenter la quantité de microorganismes d'intérêt (de préférence autochtones), grâce à l'ajout de leurs inoculums cultivés en laboratoire.

Par la suite, une fois les microorganismes d'intérêt inoculés in situ, les conditions physico-chimiques doivent être optimisées (comme en biostimulation), pour favoriser l'activité dégradante des microorganismes.

Pour l'application de la bioaugmentation, les coûts de la culture microbienne dans les bioréacteurs du laboratoire doivent être pris en compte.

La biostimulation et la bioaugmentation peuvent être combinées avec toutes les autres biotechnologies décrites ci-dessous.

Le compostage

Le compostage consiste à mélanger le matériel contaminé avec un sol non contaminé complété par des agents de sélection végétale ou animale et des nutriments. Ce mélange forme des cônes jusqu'à 3 m de haut, espacés les uns des autres.

L'oxygénation des couches inférieures des cônes doit être contrôlée, grâce à leur déplacement régulier d'un site à l'autre avec des machines. Des conditions optimales d'humidité, de température, de pH, de nutriments, entre autres, doivent également être maintenues.

Biopiles

La technique de bioremédiation avec biopiles est la même que la technique de compostage décrite ci-dessus, à l'exception de:

• L'absence d'agents d'élevage d'origine végétale ou animale.
• Élimination de l'aération par déplacement d'un site à un autre.

Les biopieux restent fixés au même endroit, étant aérés dans leurs couches internes grâce à un système de canalisations, dont les coûts d'installation, d'exploitation et de maintenance doivent être pris en compte dès la phase de conception du système.

Landfarming

La biotechnologie appelée «landfarming» (traduit de l'anglais: labourer la terre), consiste à mélanger le matériel contaminé (boue ou sédiment) avec les 30 premiers cm de sol non contaminé d'une grande superficie.

Dans ces premiers centimètres de sol, la dégradation des substances polluantes est favorisée grâce à son aération et son mélange. Les machines agricoles sont utilisées pour ces tâches, telles que les tracteurs de charrue.

Le principal inconvénient de l’agriculture est qu’elle nécessite nécessairement de grandes étendues de terre, qui pourraient être utilisées pour la production alimentaire.

Phytoremédiation

La phytoremédiation, également appelée bioremédiation par micro-organismes et assistée par les plantes, est un ensemble de biotechnologies basées sur l'utilisation de plantes et de micro-organismes pour éliminer, confiner ou réduire la toxicité des substances polluantes dans les eaux de surface ou souterraines, les boues et les sols.

Pendant la phytoremédiation, la dégradation, l'extraction et / ou la stabilisation (diminution de la biodisponibilité) du contaminant peuvent se produire. Ces processus dépendent des interactions entre les plantes et les microorganismes qui vivent très près de leurs racines, dans une zone appelée rhizosphère.

Figure 2. Bioremédiation de l'eau contaminée par des plantes et des micro-organismes. Source: Wikyhelper, de Wikimedia Commons

La phytoremédiation a été particulièrement efficace dans l'élimination des métaux lourds et des substances radioactives des sols et des eaux de surface ou souterraines (ou rhizofiltration de l'eau contaminée).

Dans ce cas, les plantes accumulent les métaux de l'environnement dans leurs tissus puis sont récoltées et incinérées dans des conditions contrôlées, de sorte que le polluant passe de la dispersion dans l'environnement à la concentration sous forme de cendres.

Les cendres obtenues peuvent être traitées pour récupérer le métal (si cela présente un intérêt économique), ou peuvent être abandonnées dans des lieux de stockage définitif des déchets.

Un inconvénient de la phytoremédiation est le manque de connaissance approfondie des interactions qui se produisent entre les organismes impliqués (plantes, bactéries et éventuellement champignons mycorhiziens).

D'autre part, les conditions environnementales qui satisfont les besoins de tous les organismes appliqués doivent être maintenues.

Bioréacteurs

Les bioréacteurs sont des conteneurs de taille considérable, qui permettent de maintenir des conditions physico-chimiques très contrôlées dans des milieux de culture aqueux, dans le but de favoriser un processus biologique d'intérêt.

Les microorganismes bactériens et les champignons peuvent être cultivés à grande échelle en laboratoire dans des bioréacteurs, puis appliqués dans des processus de bioaugmentation in situ. Des micro-organismes peuvent également être cultivés dans l'intérêt d'obtenir leurs enzymes dégradant les polluants.

Les bioréacteurs sont utilisés dans des procédés de bioremédiation ex situ, en mélangeant le substrat contaminé avec le milieu de culture microbien, favorisant la dégradation du contaminant.

Les microorganismes cultivés dans des bioréacteurs peuvent même être anaérobies, auquel cas le milieu de culture aqueux doit être dépourvu d'oxygène dissous.

Figure 3. Bioréacteur. Source: es.m.wikipedia.org

Parmi les biotechnologies de bioremédiation, l'utilisation de bioréacteurs est relativement coûteuse, en raison de la maintenance des équipements et des exigences de culture microbienne.

Microremédiation

L'utilisation de microorganismes fongiques (champignons microscopiques) dans les processus de bioremédiation d'un polluant toxique est appelée mycorremédiation.

Il faut considérer que la culture de champignons microscopiques est généralement plus complexe que celle des bactéries et implique donc des coûts plus élevés. En outre, les champignons se développent et se reproduisent plus lentement que les bactéries, la biorestauration assistée par les champignons étant un processus plus lent.

Bioremédiation par rapport aux technologies physiques et chimiques conventionnelles

-Avantage

Les biotechnologies de bioremédiation sont beaucoup plus économiques et respectueuses de l'environnement que les technologies d'assainissement de l'environnement chimique et physique appliquées de manière conventionnelle.

Cela signifie que l'application de la biorestauration a un impact environnemental moindre que les pratiques physico-chimiques conventionnelles.

En revanche, parmi les microorganismes appliqués dans les procédés de bioremédiation, certains peuvent même minéraliser les composés polluants, assurant leur disparition de l'environnement, chose difficile à réaliser en une seule étape avec des procédés physico-chimiques conventionnels.

-Inconvénients et aspects à considérer

Capacités métaboliques microbiennes existant dans la nature

Etant donné que seulement 1% des microorganismes existant dans la nature ont été isolés, une limitation de la bioremédiation est précisément l'identification des microorganismes capables de biodégrader une substance contaminante spécifique.

Manque de connaissance du système appliqué

D'autre part, la bioremédiation fonctionne avec un système complexe de deux ou plusieurs organismes vivants, qui n'est généralement pas entièrement compris.

Certains micro-organismes étudiés ont biotransformé des composés polluants en sous-produits encore plus toxiques. Pour cette raison, il est nécessaire d'étudier au préalable les organismes de bioremédiation et leurs interactions en profondeur en laboratoire.

De plus, des essais pilotes à petite échelle (sur le terrain) doivent être réalisés avant de les appliquer en masse, et enfin les processus de bioremédiation doivent être surveillés in situ, pour garantir que l'assainissement de l'environnement se déroule correctement.

Extrapolation des résultats obtenus en laboratoire

En raison de la grande complexité des systèmes biologiques, les résultats obtenus à petite échelle en laboratoire ne peuvent pas toujours être extrapolés aux processus de terrain.

Particularités de chaque processus de bioremédiation

Chaque processus de bioremédiation implique une conception expérimentale spécifique, en fonction des conditions particulières du site contaminé, du type de contaminant à traiter et des organismes à appliquer.

Il est alors nécessaire que ces processus soient dirigés par des groupes interdisciplinaires de spécialistes, parmi lesquels doivent figurer des biologistes, des chimistes, des ingénieurs, entre autres.

Le maintien des conditions physico-chimiques de l'environnement pour favoriser la croissance et l'activité métabolique d'intérêt, implique un travail permanent pendant le processus de bioremédiation.

Temps requis

Enfin, les processus de bioremédiation peuvent prendre plus de temps que les processus physico-chimiques conventionnels.

Références

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