O n sait depuis longtemps que lesmicro-organismes et notammentles bactéries peuvent posséder des

capacités étonnantes de traitement. C’estnotamment sur ce principe que fonctionnentla plupart des stations d’épuration deseaux usées en France où des colonies de bactéries gloutonnes digèrent les pollutions pour les réduire ou les supprimer.Des effluents miniers sont égalementtraités par ces techniques depuisquelques années. C’est vrai égalementpour les déchets ménagers mis endécharge où l’activité bactérienne permetune décomposition rapide et productricede gaz comme le méthane. Ainsi, de nouvelles ressources énergétiques peuventêtre produites à partir de la décompositionde ces déchets.

Des recherches ont déjà prouvé l’efficacitédes bactéries dans la biodégradationdu phénol, du cyanure, des hydrocarbures, des pesticides oul’élimination de l’arsenic et demétaux lourds. Mais d’autresperspectives s’ouvrent égalementdans le combat pour la réductiondes impacts du CO2. Ainsi, les

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N° 16 - Novembre 2006

Les biotechnologies au service de la dépollution et de la protection de l’environnement

Direction de la Communication et des Éditions - D. Roblin - Tél. 02 38 64 39 76

Les micro-organismes présents naturellement dans le sol peuvent être desagents efficaces pour traiter les effluents, les eaux et sols pollués mais aussipour extraire des minerais. Alternative aux traitements classiques ou chimiques, cette technique biologique, naturelle et économique attend encore de grands développements. Cependant, elle est déjà opérationnelle etefficace dans certains secteurs industriels. Le BRGM s’est résolument orientédans cette voie au sein de projets européens et nationaux en partenariat avecdes industriels.

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1 Décharge de déchets ménagers

2 Résidus d’extractionde minérais

3 Sols pollués4 Station d’épuration5 Bactéries

et micro-organismes

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hydrocarbures extraits dans les foragespétroliers sont “contaminés” par du CO2et de l’H2S, qu’il faut séparer avec destechniques coûteuses et polluantes. Lesmoyens biologiques utilisés in situ, ausein même de la ressource, permettraientde réduire très sensiblement ces problèmes. C’est dire que ces techniques“naturelles” sont appelées à un bel avenir.

LES BIENFAITS DEL’ATTÉNUATION NATURELLE

Le sol abrite des quantités phénoménalesde micro-organismes. On estime en effetque chaque gramme de sol peut contenirdes milliers d’espèces microbiennes (bactéries,algues,champignons…) dont 5 %seulement sont connues et peuventêtre isolées et cultivées en laboratoire.Dominique Morin, spécialiste français desbiotechnologies au sein du BRGM, rappellequ’il y a “autant de biomasse dans le sous-sol jusqu’à 500 mètres qu’en surfacemais dont on ne connaît pas le rôle etl’importance sur l’environnement”. Certainsconsidèrent cette biomasse comme uneénorme lessiveuse, une formidable machine biologique naturelle capable deretraiter, de recycler et même d’éliminerdes éléments indésirables ou dangereuxcomme les hydrocarbures ou les métauxlourds. En s’appuyant sur l’activité de certaines bactéries, il est en effet possiblede réduire la dangerosité de métaux en lesimmobilisant, ou, à l’opposé de faciliterleur récupération.

Les recherches actuelles portent d’abordsur l’activité des bactéries qui sont les plusnombreuses et les plus actives dans lesprocessus de biodégradation. Pour assouvirleur besoin d’énergie, ces bactéries se“nourrissent” de composés organiques,de minéraux ou de lumière, entraînantainsi un processus de biodégradation.Dans certains cas, cette biomasse estsuffisamment active naturellementpour permettre de réduire l’impact despollutions dans un délai assez long. Il s’agit alors d’atténuation naturelle. Desphénomènes physiques, chimiques ou biologiques dans le sol ou le sous-sol peuvent en effet conduire à une diminutionde la concentration ou de la toxicité despolluants dans le milieu. Ce concept récentdoit être cependant bien évalué afin qu’ilne devienne pas un argument pour le laisser faire des adeptes de l’auto-régula-tion des pollutions. C’est pourquoi desétudes sont en cours pour évaluer l’impactet les effets de cet “auto-nettoyage”.Cependant, il faut parfois activer la population microbienne par des réactifs,voire injecter de la biomasse et effectuerainsi une “bio augmentation”.

Tout cela suppose cependant des analysespoussées : isolement des familles de bactéries actives et des processus bactériensavec, en particulier, les moyens de la biologie moléculaire, puis extrapolation duprincipe de l’échelle laboratoire au pilotesemi-industriel. Enfin, dernière étape avecla mise en œuvre industrielle d’un procédéde traitement.

DÉPOLLUTION “IN SITU”

La présence de métaux lourds dans les eaux souterraines est un problèmemondial avec des enjeux sanitaires etenvironnementaux considérables. Desrecherches sont engagées depuis desannées pour appliquer les biotechnologiesà ces questions notamment avec les bactéries sulfato-réductrices. Celles-citransforment le sulfate en sulfure qui lui-même précipite les métaux présentsdans les eaux qui peuvent ainsi être récupérés et éliminés. Ce fut notammentle cœur du programme européen “Metalbioréduction”, coordonné par le

BRGM, qui a impliqué de nombreux laboratoires et centres de recherches français et européens. Les recherches ontnotamment porté sur le traitement duchrome et de l’arsenic. Des bactéries peuvent en effet modifier l’état d’oxydationde certains métaux comme le chromepour le passer de la forme chrome 6, où ilest un polluant soluble et dangereux car,entre autres, cancérigène, en chrome 3, oùil est peu soluble, peu toxique et même àfaible dose considéré comme nécessaire àla santé.

Bactéries oxydant les composés soufrés,les sulfures et le fer en condition aérobie

(présence d’oxygène)

- Mise au point de procédés biohydrométallurgiques pour la récupération des métaux à partir des ressources minérales.

- Etude du cycle géochimique du soufre et du fer.

- Etude des phénomènes de drainage minier acide.

- Mise au point de procédés de traitementdes eaux, des effluents et des sols contaminés

par l’arsenic.- Etude du cycle géochimique de l’arsenic et des phénomènes de drainage minier.

- Mise au point et étude de procédés de dépollution des effluents, des déchets

et des sols.- Exemples : biotraitement des sables

de fonderie contaminés par du phénol.- Biodégradation des pesticides.

- Utilisation pour le traitement biologiquedes effluents acides miniers et industriels

contaminés par des métaux (Cr,…).- Implication dans le cycle géochimique

du soufre et dans les phénomènes de drainage minier acide.

- Dégradation de matière organique en condition réductrice.

- Exemple : biotraitement des déchets organiques et récupération de gaz énergétiques.

- Piégeage du dioxyde de carbone sous formeminérale.

Bactéries oxydantes et réductricesde l’arsenic en condition aérobie

(présence d’oxygène) ou anaérobie (absence d’oxygène)

Bactéries hétérotrophes qui dégradentles composés organiques en condition

aérobie (présence d’oxygène) ou anaérobie

(absence d’oxygène)

Bactéries réduisant les sulfates encondition anaérobie (absence d’oxygène)

Bactéries produisant du méthaneet de l’hydrogène

Bactéries minéralisant du carbonesous forme de carbonates

BACTÉRIES FINALITÉS

Bactéries sulfato-réductrices engluées dans dusulfure d’arsenic.

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On estime aujourd’hui que 450 sites enFrance sont pollués par le chrome (cf. http://www.basol.ecologie.gouv.fr).Une opération pilote de traitement“in situ” a d’ailleurs été lancée sur le sitedes anciens ateliers de chromaged’Hispano Suiza à Bois-Colombes enrégion parisienne à travers un projetsoutenu par l’ADEME et associant leBRGM, l’entreprise et la société TVD. Unprocédé de traitement chimique,Chromstab, est notamment issu de cetterecherche.

On a sensiblement la même ambitionavec la question de l’arsenic. Dans cecas, on utilise des processus bactériensqui favorisent la transformation de l’arsenic 3, qui est une forme très toxiquedu métalloïde, en arsenic 5, qui estla plus répandue naturellement etnettement moins dangereuse.

Aujourd’hui, 70 % des sites pollués,souvent par des hydrocarbures ou desmétaux lourds, se situent en milieuurbain où les techniques de dépollutionsont complexes et coûteuses car il fautextraire les matériaux pollués pour lestraiter à l’extérieur sur une plate-forme spécialisée. Un traitement in situnotamment par voie biologique a uncoût nettement inférieur.

Dépollution in situ de chromates dans le sol : chantier pilote dans l’atelier de chromage des anciennes usinesHispano-Suiza à Bois-Colombes.

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Biophon pour dépolluer les sables de fonderiesDans les fonderies, les moules utilisés pour couler des pièces de moteurs sont souvent constitués de sable lié par des résines à base de phénol, ce qui en interdit sa réutilisation, sans traitement préalable.C’est pourquoi une collaboration entre le BRGM, ANTEA et la société Soccoim-Onyx a permis d’aboutir à un traitement biologique de ces sables.Le principe repose sur la métabolisation du phénol par des bactéries qui l’utilisentcomme source de carbone et d’énergie.Cultivées sur le site, les bactéries sont ensemencées et agissent durant trois semaines sur le sable préalablement désagrégé des moules qui peut ensuite être réutilisé comme remblais. Ce principe, Biophon, a fait l’objet d’un brevet. Une plate-forme industrielle permettant le traitement, par ce procédé, de 30 000 tonnes de sable par an a été installée par la Soccoim, à Chaingy, près d’Orléans.

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Plateforme de traitement des sables de fonderie - Chaingy, Loiret.

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De grands développements sontdonc attendus dans l’application des biotechnologies dans ce domaine et celad’autant plus que les nouveaux outils de

biologie moléculaire ont considérablementamélioré la maîtrise des processus utilisés.La mise en œuvre de cette techniquereste cependant encore limitée en France.

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Pour en savoir plus :Dominique Morin - BRGM - EnvironnementIndustriels et Procédés - Tél. 02 38 64 32 00

Collaboration rédactionnelle :Jean-Jacques TalpinCentre scientifique et techniqueBRGM - 3, avenue Claude-Guillemin - BP 600945060 Orléans Cedex 2 - Tél. 02 38 64 34 34www.brgm.fr

LES BIOTECHNOLOGIESPOUR EXTRAIRE DES MÉTAUXDE VALEUR

Les capacités de transformation desminéraux de certaines bactéries sontutilisées depuis longtemps dans lesmines pour extraire des métaux plusproprement et à moindre coût.Le traitement des pollutions par les biotechnologies a, au BRGM, pour antécédent une technique déjà éprouvée,celle de la bio-hydrométallurgie quirepose sur l’utilisation de bactéries pourextraire des métaux de valeur à partir de ressources minérales. Certains micro-organismes peuvent en effet dégraderdes minerais sulfurés, principaux porteurs de métaux non-ferreux devaleur, favorisant ainsi la récupérationdes métaux qu’ils contiennent. Pilote decette technique avec son projet KCCL enOuganda, le BRGM avait ainsi réussi àproduire du cobalt avec le renfort desbiotechnologies.

Dans son 6e PCRD (Programme Cadre deRecherche et Développement), l’UnionEuropéenne a sélectionné deux projetsde bio-hydrométallurgie : BioMinE etBioshale qui mobilisent pour le premierprogramme 36 partenaires de 14 payseuropéens et d’Afrique du Sud et13 partenaires de 8 pays pour le second.Sous la coordination du BRGM, BioMinEdoit notamment permettre d’identifierles ressources minérales européennessusceptibles d’être valorisées par biotechnologies. C’est vrai notammentpour des métaux comme le cuivre, lecobalt ou le nickel. Bioshale de son côtédoit contribuer à évaluer cette mêmetechnique pour des métaux (cuivre,nickel, or, argent) contenus dans lesschistes noirs d’Europe centrale et deScandinavie. La bio-hydrométallurgierépond d’abord à un objectif industrield’optimiser les récupérations des métaux,avec des techniques moins coûteuses etsurtout d’exploiter des gisements à plusfaibles teneurs en métaux. Mais l’ambitionest également environnementale car labio-hydrométallurgie évite la productiond’un gaz dangereux, le dioxyde desoufre, produit en grande quantité par lapyrométallurgie qui est la technique derécupération la plus utilisée.

Ces deux programmes européens coordonnés par le BRGM doiventégalement permettre d’améliorer laconnaissance sur les biotechnologies etnotamment de constituer une banquede données sur les micro-organismesactifs et les procédés de traitementapplicables.

Cas01 une bactérie brevetéeCheni Arsenic Oxydante 1 (Cas01)est le nom d’une nouvelle bactérieantipollution découverte par l’unité Biotechnologies du BRGMqui l’a brevetée et déposée àl’Institut Pasteur. La découverte decette bactérie est issue d’un programme de recherche menédurant plusieurs années sur le sitede dépôt d’un résidu de l’anciennemine d’or de Cheni située près deLimoges. Des études avaientnotamment montré la présencesur le site de bactéries de la famille des Thiomonas capablesd’oxyder naturellementl’arsenic III très toxique en arsenicV considéré comme inoffensif.Cette découverte laisse entrevoirdes retombées importantes pourle traitement des effluents,notamment des mines d’or où l’arsenic est fréquemment utilisé.

Vue de bactéries utilisées dans la mise au pointd’un procédé d’élimination de métaux lourdscontenus dans les boues de station d’épuration.

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Retraitement par biolixiviation de stériles miniers en Ouganda : le projet KCC a été l’occasion de développer un procédé innovant visant à exploiter économiquement un sous-produit minier cobaltifère dont le stockage avait de graves conséquences sur l’environnement local.

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Vue d’un essai de démonstration en cours de biolixiviation en tas (réalisé dans le cadre de Bioshale).

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