La résilience écologique

Domestiquer les micro-organismes

Pour domestiquer les micro-organismes en vue d'une application en biotechnologies environnementales, il faut être capable de cultiver et de maintenir des communautés microbiennes auto-organisées et auto-entretenues, ce qui font que les biotechnologies environnementales est à l'interface entre génie industriel et microbiologie.

Nettoyer à l'échelle moléculaire

La "bioremédiation" consiste à utiliser des procédés biologiques ppour réduire le niveau de pollution des systèmes présents dans l'air, l'eau ou le sol, en neutralisant les déchets toxiques ou en décontaminant les milieux pollués. Souvent, il faut d'abord identifier ou isoler la ou les espèces spécifiques capables de dégrader les polluants concernés. Ensuite, les conditions nécessaires au maintien de la communauté microbienne et de son activité métabolique doivent être aménagées. L'optimisation de la culture enrichie est crutiale pour obtenir un rendement efficace et concurrentiel. Quand la biodégradation est complète, les produits finals comprennent du dioxyde de carbone , de l'eau et des sels minéraux inoffensifs.

Contrôler les micro-organismes

Afin de gérer l'espace environnemental, il est nécessaire de contrôler les communautés microbiennes. Dans la nature, les bactéries vivent en majorité dans des colonies de surface appelées biofilm.

Les biofilms poussent partout, sur virtuellement toute surface en contact avec un liquide (océan, fluides dans le corps humain, ...). Les stratégies visant à l'amélioration et au renouveau des moyens de contrôle des biofilms ciblent les régulateurs moléculaires des étapes clés du développement comme l'adhésion de surface, la communication entre cellules ou les systèmes d'entretien du biofilm. D'autres part, les bactéries possèdent des senseurs, qui en réponse à certains stimuli dans leur environnement immédiat peuvent induire la dispertion des cellules. De tels systèmes sont également la cible pour la mise au point de méthodes efficaces, peu coûteuses et respectueuses de l'environnement pour le contrôle des biofilms.

Surveiller l'émergence des pathogènes

L'éclosion de pathogènes est une préoccupation principale de la santé publique. Que ce soit en hygiène agroalimentaire, dans les réseaux de distribution d'eau ou encore dans les rivières et les piscines, la surveillance est primordiale.

Dans ce domaine, la biotechnologie environnementale permet d'apporter des outils performants de détection rapide et de surveillance en continu. Grâce aux progrès de la biologie moléculaire, il existe maintenant des tests, par exemple basés sur la PCR, capables de donner des diagnostics en quelques heures. De telles améliorations permettent d'identifier la source, le mode de transmission, les facteurs de risque et l'évolutivité potentielle du problème et ainsi mettre en oeuvre les procédures d'alerte et engager une action préventive argumentée de la diffusion des souches pathogènes.

Développer des procédés durables

Le développement durable, en plus de nécessiter la dépollution de l'environnement, requiert un renouveau de la gestion du capital naturel. En permettant de réduire la consommation en eau, énergie et autres ressources naturelles tout en maintenant la compétitivité, la biotechnologie environnementale a un très fort potentiel pour contribuer à la viabilité écologique de l'industrie. Enfin, de nouvelles ressources sont également envisagées, par exemple en utilisant des piles à bactéries (MFC, microbial fuel cell) qui produisent de l'électricité à partir de sucre.

Conclusion: le moteur de la résilience écologique

L'utilisation des technologies "omiques" (génomique, protéomique, etc.) appliquées aux communautés microbiennes garantit la découverte de nouveaux gènes (et donc de protéines spécialisées) ou bioprocédés aux propriétés exploitables. Ainsi, l'exploration de la biodiversité à l'échelle microbienne assure d'étendre très rapidement la gamme de produits couverts par la bioraffinerie. Ce constat souligne l'importance vitale de surveiller et conserver la biodiversité qui est l'une des plus grande richessede la planète et le moteur de la résilience écologique.

Applications dans le domaine de l'environnement (Biorestauration)

Bioremédiation ( "dépollution" par des bactéries)

La méta-génomique permet d'aborder ces aspects de dépollution en particulier en fournissant un outil d'analyse du monde bactérien que l'on connait encore très peu et que l'on pas encore domestiqué (on ne sait pas faire pousser les bactéries capables de dépolluer les sites industriels).

Article de synthese

La biorestauration

Les bioreporters

Les "bioreporters" constituent un autre champs d'application dans l'utilisation d'organismes vivants pour gérer notre environnement. Il s'agit dans ce cas de trouver des systèmes biologiques capables de nous renseigner sur la présence ou l'absence de tels ou tel composé dans un milieu. Par exemple dans l'animation présentée ici, il s'agit de bactéries génétiquement modifiées dont la coloration en présence de mercure permet de "rapporter" sur une éventuelle contamination du milieu.

Une animation pour présenter un exemple de bactérie E.coli "bioreporter".

Phytoremédiation ( " dépollution par les plantes")

Qu'est ce que la phytoremédiation?

La phytoremédiation consiste à utiliser la capacité naturelle des plantes à contenir, dégrader ou éliminer les produits chimiques toxiques et les polluants du sol ou de l´eau. On s´en sert pour éliminer les métaux, les pesticides, les solvants, les explosifs, le pétrole brut et les contaminants (les lixiviats) qui risquent de s'échapper des sites de décharge. Le terme phytoremédiation est composé de deux mots : phyto, qui signifie plante, et remédiation, qui signifie remise en état.

Les scientifiques étudient les différentes possibilités de la phytoremédiation en utilisant des plantes telles que le tournesol, l'ambroisie, le chou et géranium, ainsi que d'autres espèces moins connues. En raison des limites de la phytoremédiation (voir ci-dessous), les plantes sont souvent utilisées parallèlement avec d'autres technologies traditionnelles pour nettoyer les sites contaminés.

Il existe cinq principaux types de phytoremédiation, classés selon le genre de matériau visé – métaux ou produits chimiques organiques.

Pour la contamination par les métaux:

• Phytoextraction -- Dans ce processus, la plante absorbe les métaux lourds par la racine et les accumule dans la partie aérienne (les tiges et les feuilles). On emploie souvent des plantes dites hyper-accumulatrices pour leur capacité à extraire un grand volume de polluants de leur environnement périphérique. Les plantes sont ensuite récoltées et incinérées. On peut aussi récupérer les métaux de ces plantes.
  
  
• Rhizofiltration -- Cette méthode s'applique spécifiquement à la restauration des eaux de surface et souterraines polluées. Dans ce processus, les contaminants sont extraits, soit directement dans la plante qui les absorbe par la racine, ou indirectement par adsorption, ce qui signifie que des contaminants sont attirés et retenus par les racines. Des plantes cultivées dans de l'eau non polluée sont transplantées dans des eaux polluées. Lorsque les racines deviennent saturées de polluants, on les récolte pour les remplacer par de nouvelles plantes. L'utilisation de marais artificiels pour traiter les eaux usées et les produits de lixiviation de décharges est un exemple de rhizofiltration.
• 
  
  
• Phytostabilisation – On utilise des plantes pour retenir les polluants du sol et de l´eau ou pour réduire leur mobilité dans l'environnement périphérique. Cette technique est réalisable par l'absorption ou l'adsorption des polluants par les racines de la plante, ou par la réduction de l'érosion du sol et de la poussière soulevée par le vent. C'est une méthode efficace pour empêcher la dispersio26 mai, 2010ux de surface ou souterraines.

Pour la contamination par les produits chimiques organiques:

• Phytotransformation -- Dans ce processus, la plante absorbe et décompose les produits chimiques organiques des sols et des eaux souterraines contaminés par ses réactions métaboliques.
  
  
• Biorestauration dans la rhizosphère (ou rhizodégradation) -- Les plantes stimulent la croissance de micro-organismes aux alentours de leurs racines (zone appelée rhizosphère) par la sécrétion de substances naturelles. Ces micro-organismes (levures, champignons et bactéries) dégradent les polluants par leurs réactions métaboliques.

Une animation pour présenter certaines formes de phytoremédiation

Scientifiquement, comment fonctionne la phytoremédiation?

La phytoremédiation profite de la faculté naturelle des plantes d'absorber, d'accumuler ou de métaboliser les polluants du sol ou des autres milieux dans lesquels ils se développent. Les interactions entre ces plantes et les micro-organismes qui vivent dans le sol peuvent également contribuer à la phytoremédiation.

Dans leurs fonctions normales de croissance et de développement, les plantes absorbent et métabolisent naturellement certains métaux et produits chimiques organiques. Certains métaux, y compris le zinc, le cuivre et le fer, sont essentiels à la croissance des plantes. Certaines plantes, qualifiées d´hyperaccumulatrices, absorbent plus de métaux que d'autres, y compris des métaux qui ne semblent pas nécessaires aux fonctions végétales.Lorsque les plantes ont absorbé et accumulé les polluants, elles peuvent être récoltées et détruites.

Près de 400 plantes pourvues de cette faculté sont actuellement connues. Les efforts des chercheurs se concentrent sur la recherche et l'évaluation des plantes à pousse rapide, c'est-à-dire des plantes dont la biomasse augmente rapidement, permettant une dépollution rapide, simple et peu coûteuse de l'environnement.

Arabidopsis halleri, une plante hyperaccumulatrice de zinc et de cadmium.

Si les polluants chimiques organiques sont décomposés en molécules d'eau et de dioxyde de carbone, aucune méthode spéciale d'élimination des plantes n'est nécessaire.

L'incinération contrôlée est la méthode la plus courante pour éliminer les plantes qui ont absorbé de grandes quantités de polluants. Ce procédé produit des cendres qu´on peut enfouir dans des décharges appropriées. Si les plantes ont absorbé des métaux, l'incinération contrôlée produit des cendres ayant une forte teneur en métaux. Les chercheurs travaillent sur des méthodes permettant de récupérer les métaux d´origine de ces cendres.

Comme la phytoremédiation est une technologie relativement nouvelle, de nombreuses méthodes d'élimination et de récupération du métal sont à l'étude, notamment le séchage solaire, le compostage et la lixiviation.

Biologie moléculaire et phytoremédiation

On pense que plusieurs gènes différents sont impliqués dans l'absorption de métaux par les plantes. Ces gènes contrôlent la solubilité des métaux dans le sol qui entoure les racines, ainsi que les protéines responsables du transport des métaux dans les cellules des racines et jusqu'aux pousses de la plante.

Une meilleure connaissance des gènes, des mécanismes moléculaires et des rôles que les micro-organismes jouent dans la phytoremédiation permettra aux scientifiques de mieux utiliser les plantes pour nettoyer les sites pollués.

Remarque : de nombreuses informations fournies dans ce chapitre sur la biotechnologie environnementale sont tirées d'un article de Nicolas Barraud paru dans la revue la jaune et la rouge (février 2009, numéro 645).

© Université de TOURS - GÉNET
Document modifié le 26 mai, 2010