Comment dépolluer de l’eau avec des bactéries et un champ magnétique ?

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Les élé­ments traces métal­liques (ancien­ne­ment appe­lés métaux lourds) sont des métaux trou­vés en faibles concen­tra­tions dans l’en­vi­ron­ne­ment. Dans cette famille, on retrouve par exemple le fer (Fe), le chrome (Cr) ou le zinc (Zn). Ces élé­ments sont utiles aux orga­nismes vivants à faible concen­tra­tion mais peuvent deve­nir toxiques à des concen­tra­tions plus éle­vées. Une pré­sence impor­tante de ces métaux dans l’en­vi­ron­ne­ment est donc consi­dé­rée comme une pol­lu­tion. Pour déve­lop­per de nou­velles méthodes de dépol­lu­tion, une équipe de recherche colom­bienne pro­pose d’u­ti­li­ser des bac­té­ries et un champ magné­tique pour éli­mi­ner ces pol­luants.

Comment éliminer les éléments traces métalliques ?

Des méthodes phy­si­co-chi­miques existent pour éli­mi­ner ces pol­luants : pré­ci­pi­ta­tion, adsorp­tion, élec­tro­coa­gu­la­tion, … Chaque méthode pré­sente ses propres avan­tages et incon­vé­nients. Par exemple, la pré­ci­pi­ta­tion ne forme pas de sous-pro­duits toxiques mais néces­site de grandes quan­ti­tés de pro­duits chi­miques. De façon géné­rale, les méthodes phy­si­co-chi­miques néces­sitent beau­coup d’éner­gie pour fonc­tion­ner ou sont peu effi­caces.

Les méthodes bio­lo­giques demandent peu d’éner­gie et sont une alter­na­tive inté­res­sante aux tech­niques phy­si­co-chi­miques. La bio­ad­sorp­tion (aus­si appe­lée bio­sorp­tion) consiste à la fixa­tion d’un pol­luant par de la bio­masse (des bac­té­ries par exemple). Cette tech­nique peut être uti­li­sée pour fixer des élé­ments traces métal­liques. Les ions vont se fixer à des struc­tures cel­lu­laires telle que la mem­brane cel­lu­laire.

Schéma d’une mem­brane cel­lu­laire et de la bio­ad­sorp­tion. Plusieurs méca­nismes dif­fé­rents sont impli­qués dans la bio­ad­sorp­tion. Dans le cas de l’adsorp­tion phy­sique, les ions sont fixés à la mem­brane par des inter­ac­tions élec­tro­sta­tiques (force de Van der Waals). Les poly­sac­cha­rides pré­sents à la sur­face cel­lu­laire peuvent fixer des ions. Dans le cas de l’é­change d’ion, ces ions sont échan­gés contre des ions métal­liques. La com­plexa­tion consiste en la for­ma­tion d’une liai­son chi­mique entre l’ion métal­lique et des grou­pe­ments pré­sents à la sur­face cel­lu­laire.

La bio­ad­sorp­tion est effi­cace pour reti­rer des ions métal­liques d’une solu­tion mais pré­sente l’in­con­vé­nient de devoir ensuite sépa­rer les bac­té­ries et le liquide trai­té. En effet, une fois le trai­te­ment fini, les élé­ments traces métal­liques ont été trans­fé­rés de l’eau vers les bac­té­ries. La pol­lu­tion est donc concen­trée sur les bac­té­ries. Une méthode de sépa­ra­tion consiste à fil­trer le liquide avec un filtre pos­sé­dant des pores (ouver­ture /​ trou) d’une taille infé­rieure à celle des bac­té­ries. Le prin­cipe est simi­laire à celui d’un tamis. Le liquide passe donc à tra­vers les pores, via le cou­rant pro­duit par une pompe, tan­dis que les bac­té­ries sont blo­quées par le filtre.

Schéma d’une fil­tra­tion. Les bac­té­ries étant plus grandes que les pores du filtre, elles res­tent blo­quées d’un côté tan­dis que l’eau passe libre­ment. Les bac­té­ries fixées sur le filtre peuvent blo­quer les pores et donc ralen­tir la fil­tra­tion. On parle de col­ma­tage pour dési­gner cette perte d’ef­fi­ca­ci­té de la fil­tra­tion.

La fil­tra­tion pos­sède un cer­tain nombre d’in­con­vé­nients tels qu’un besoin éner­gé­tique pour ali­men­ter une pompe ou le col­ma­tage de la mem­brane par les bac­té­ries. Pour remé­dier à ces incon­vé­nients, des scien­ti­fiques colom­biens uti­lisent une méthode sépa­rant les bac­té­ries du liquide avec un champ magné­tique plu­tôt que par fil­tra­tion. Pour cela ils uti­lisent des bac­té­ries dites magné­to­tac­tiques qui sont capables de se dépla­cer le long du champ magné­tique ter­restre.

Magnétosome, une boussole cellulaire

Les bac­té­ries magné­to­tac­tiques sont capables de se dépla­cer en uti­li­sant un fla­gelle et des magné­to­somes. Le fla­gelle sert de “moteur” tan­dis que les magné­to­somes peuvent être com­pa­rés à une bous­sole per­met­tant de suivre les lignes du champ magné­tique ter­restre. Cela per­met aux bac­té­ries de gui­der leur dépla­ce­ment sur un axe de deux dimen­sions (haut et bas) plu­tôt que de devoir se dépla­cer dans trois dimen­sions. Elles peuvent ain­si voya­ger entre des zones riches ou pauvre en oxy­gène pour y trou­ver dif­fé­rents nutri­ments néces­saires à leur crois­sance.

Les bac­té­ries magné­to­tac­tiques se déplacent le long des lignes du champ magné­tique ter­restre. Cela leur per­met de se dépla­cer entre plu­sieurs zones micro­sco­piques pour y recher­cher des nutri­ments.

Les magné­to­somes sont com­po­sés des cris­taux d’oxydes de fer (FeSO3 par exemple) pré­sents à l’in­té­rieur d’une mem­brane lipi­dique. Ces cris­taux pos­sèdent un moment magné­tique comme les aimants. C’est-à-dire qu’ils peuvent s’a­li­gner sur un champ magné­tique. Les magné­to­somes forment une chaine à l’in­té­rieur de la bac­té­rie. En ali­gnant les magné­to­somes en une chaine ceux agissent comme un seul aimant au lieu de plu­sieurs petits. La chaine de magné­to­somes est fixée à l’in­té­rieur de la bac­té­rie et la force à s’a­li­gner le long du champ magné­tique.

Schéma d’une bac­té­rie magné­to­tac­tique et d’un magné­to­some. Les magné­to­somes sont fixés à la mem­brane cel­lu­laire et entre eux via un fila­ment (cytos­que­lette). La taille des cris­taux d’oxyde de fer, conte­nus dans les magné­to­somes, est d’en­vi­ron 35 à 120 nano­mètre.

Détection de bactéries avec des magnétosomes

Au préa­lable de leur étude, les scien­ti­fiques colom­biens recherchent des bac­té­ries magné­to­tac­tiques dans les sédi­ments de trois lacs et une pis­cine de refroi­dis­se­ment du dépar­te­ment de Boyacá (Colombie). Parmi les pré­lè­ve­ments, un seul pos­sède des bac­té­ries avec une réponse au champ magné­tique. Les bac­té­ries iso­lées pos­sèdent une colo­ra­tion de Gram néga­tive et ont une mor­pho­lo­gie de bacille.

Des bac­té­ries magné­to­tac­tiques sont recher­chées dans les sédi­ments de plu­sieurs lacs colom­biens.

Traitement d’une eau polluée

Les bac­té­ries iso­lées dans cette étude sont uti­li­sées pour dépol­luer une eau pro­ve­nant d’une nappe phréa­tique pol­luée avec de fortes concen­tra­tions en fer et zinc. Pour cela, les bac­té­ries magné­to­tac­tiques iso­lées sont ajou­tées dans cette eau. La concen­tra­tion en élé­ments traces métal­liques est ensuite mesu­rée à plu­sieurs inter­valles de temps. Après le trai­te­ment, les bac­té­ries peuvent être faci­le­ment récu­pé­rées en appli­quant un champ magné­tique.

Schéma du protocole de traitement de l'eau pollué.
Schéma de l’ex­pé­rience.

Au bout de 5 à 10 minutes de culture, la concen­tra­tion en élé­ments traces métal­liques a dimi­nué dans le liquide puis reste stable. Cela signi­fie que les ions métal­liques ont été fixés sur les bac­té­ries et qu’ils ne sont plus pré­sents dans l’eau. Dans le cas du fer (Fe2+), la dimi­nu­tion maxi­mum est de 57 %. Une forte dimi­nu­tion du zinc (Zn2+) est aus­si obser­vée : 75 %. Pour le man­ga­nèse (Mn2+), la dimi­nu­tion est plus faible 23 %. Ces résul­tats concordent avec ceux obte­nus dans des études pré­cé­dentes.

Perspectives de l’étude

Le trai­te­ment des eaux pol­luées par des élé­ments traces métal­liques avec des bac­té­ries magné­to­tac­tiques a fait l’ob­jet de moins d’une dizaine de publi­ca­tions scien­ti­fiques. Cette nou­velle étude confirme que cette métho­do­lo­gie semble effi­cace en labo­ra­toire pour trai­ter de petits volumes d’eau. Il fau­dra néan­moins d’autres preuves de concept sur des échelles indus­trielles avec des volumes d’eau à trai­ter beau­coup plus impor­tants.

La pro­duc­tion de magné­to­somes par des bac­té­ries pos­sède de nom­breux débou­chés dans le domaine de la san­té et des bio­tech­no­lo­gies. Les bac­té­ries magné­to­tac­tiques ont été beau­coup étu­diées pour la pro­duc­tion de magné­to­somes mais peu dans un contexte de dépol­lu­tion. Ce nou­veau type de trai­te­ment pour­rait être une stra­té­gie de bio­dé­pol­lu­tion effi­cace.

Référence de l’étude

Diaz-Alarcón, J. A., Alfonso-Pérez, M. P., Vergara-Gómez, I., Díaz-Lagos, M., & Martínez-Ovalle, S. A. (2019). Removal of iron and man­ga­nese in ground­wa­ter through magne­to­tac­tic bac­te­ria. Journal of Environmental Management, 249, 109381. doi:10.1016/j.jenvman.2019.109381 (lien)


Bibliographie com­plé­men­taire

Qu, Y., Zhang, X., Xu, J., Zhang, W., & Guo, Y. (2014). Removal of hexa­valent chro­mium from was­te­wa­ter using magne­to­tac­tic bac­te­ria. Separation and Purification Technology, 136, 1017. doi:10.1016/j.seppur.2014.07.054 (lien)

Tajer-Mohammad-Ghazvini, P., Kasra-Kermanshahi, R., Nozad-Golikand, A., Sadeghizadeh, M., Ghorbanzadeh-Mashkani, S., & Dabbagh, R. (2016). Cobalt sepa­ra­tion by Alphaproteobacterium MTB-KTN90 : magne­to­tac­tic bac­te­ria in bio­re­me­dia­tion. Bioprocess and Biosystems Engineering, 39(12), 18991911. doi:10.1007/s00449-0161664‑z  (lien)

Song, H., LI, X., Sun, J., Yin, X., Wang, Y., & Wu, Z. (2007). Biosorption equi­li­brium and kine­tics of Au(III) and Cu(II) on magne­to­tac­tic bac­te­ria. Chinese Journal of Chemical Engineering, 15(6), 847854. doi:10.1016/s1004-9541(08)600130 (lien)

Uebe, R., & Schüler, D. (2016). Magnetosome bio­ge­ne­sis in magne­to­tac­tic bac­te­ria. Nature Reviews Microbiology, 14(10), 621637. doi:10.1038/nrmicro.2016.99 (lien)

Veglio, F., & Beolchini, F. (1997). Removal of metals by bio­sorp­tion : a review. Hydrometallurgy, 44(3), 301316. doi:10.1016/s0304-386x(96)00059‑x (lien)

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