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Eaux industrielles contaminées

 | 
Nadia Morin-Crini
, 
Grégorio Crini

Chapitre X. Exopolysaccharides bactériens et bioremédiation des métaux : contribution du milieu marin

Jean Guezennec

Texte intégral

1. Introduction

1La protection de l’environnement est un problème majeur pour notre qualité de vie et c’est aussi, et surtout, un problème de santé humaine. Malheureusement, les pollutions de toute nature font partie de notre quotidien : matériaux plastiques non dégradables, utilisation abusive de pesticides, herbicides, fongicides et autres contaminants organiques, contaminations accidentelles de nappes phréatiques, sols, sédiments, milieux aquatiques et effluents industriels par des produits chimiques et métaux lourds (mercure, plomb, zinc, nickel, cadmium, cuivre, aluminium) ou radioéléments.

2L’utilisation croissante des métaux et des composés organométalliques dans différents secteurs de l’industrie (métallurgie, nucléaire, traitements de surface, etc.) a logiquement conduit à la génération d’effluents hautement contaminés et toxiques avec l’interrogation autour du devenir de ces effluents et des procédés adaptés à leur traitement.

3À ces activités industrielles, il convient d’ajouter l’exploitation minière qui peut contribuer fortement à la contamination par les métaux lourds de notre environnement. Le milieu marin n’est pas épargné avec l’utilisation des peintures antifouling à base de cuivre et plus généralement l’apport de tous les contaminants organiques et inorganiques par les fleuves, les rivières et l’activité humaine.

4D’un point de vue écotoxicologique – mais force est de reconnaître qu’il existe encore une méconnaissance sur l’impact réel de ces métaux sur notre santé mais plus généralement sur toute forme de vie – les ions métalliques (et leurs composés) les plus toxiques sont sans nul doute le mercure, le plomb, le cadmium et le chrome hexavalent, ce qui n’exonère en rien la toxicité d’autres éléments (fer, aluminium, zinc, nickel, etc.) ainsi que bien naturellement tous ceux issus de l’industrie du nucléaire.

5Les méthodes conventionnelles d’élimination utilisent la précipitation (hydroxydes, sulfures, carbonates, etc.) combinée à une étape de floculation-décantation, l’échange d’ions, les réactions chimiques et l’électrochimie, l’évaporation ou encore les technologies membranaires comme l’osmose inverse.

6Ces différentes techniques de décontamination peuvent certes s’avérer efficaces mais sont parfois, soit inappropriées ou inadaptées selon les conditions physico-chimiques rencontrées, soit onéreuses et peu spécifiques.

7Une alternative à ces technologies réside en l’utilisation de biomasses d’origine végétale, algale, fongique ou microbienne ou encore de biopolymères, tous alors utilisés comme biosorbants.

8Depuis quelques années, il y a en effet un intérêt croissant pour les biotechnologies environnementales et pour cette approche de la bioremédiation via cette technologie de biosorption.

9La biosorption peut être définie comme un mécanisme physico-chimique, indépendant du métabolisme, incluant différentes interactions (adsorption, échange d’ions, complexation, précipitation de surface) induites par une biomasse vivante, morte ou par des biopolymères.

10Ce procédé de traitement présente de nombreux avantages comme ceux de pouvoir travailler dans des gammes de concentration du ppb à plusieurs dizaines de ppm, d’être souvent rapide et efficace dans des domaines relativement larges de température, de pH, de salinité et de teneurs en matière organique.

11Parmi les biosorbants les plus intéressants et les plus prometteurs, il y a les polysaccharides, qu’ils soient d’origine animale comme la chitine, algale comme les alginates ou carraghénanes, ou enfin bactérienne comme les exopolysaccharides ou EPS.

2. Les exopolysaccharides bactériens

12Les polysaccharides peuvent être définis comme des macromolécules formées de l’enchaînement de motifs similaires (unité de répétition ou unité monomérique), en l’occurrence de glucides, encore appelés oses. Ces biopolymères sont produits par un grand nombre de bactéries et d’archées.

13Chez les bactéries, ces biopolymères sont présents soit sur la paroi cellulaire comme constituant des lipopolysaccharides (LPS), soit à l’extérieur de la cellule, liés à cette même cellule (polysaccharide capsulaire ou CPS), soit enfin relâchés dans le milieu sous forme d’exopolysaccharides (EPS). Le terme « exo » indique simplement une origine extracellulaire, c’est-à-dire un polymère présent dans le milieu, non constitutif de la cellule bactérienne elle-même (figure 1).

14Les EPS sont, sans nul doute, les plus intéressants du point de vue de leurs propriétés et de leur potentiel de développements biotechnologiques. Ils le sont également pour des raisons pratiques de procédés de récupération plus simples et mieux contrôlables.

15Outre, une très grande diversité de composition chimique, propriétés physico-chimiques, rhéologiques et biologiques, ces polysaccharides présentent l’intérêt de pouvoir être produits à l’échelle industrielle, de manière contrôlée et reproductible.

16À noter qu’il est important de signaler un problème de terminologie pouvant induire des confusions, voire des interprétations erronées. Le terme EPS est parfois, dans la littérature scientifique, utilisé pour représenter l’ensemble des substances polymériques constituant un biofilm (Exopolymeric-exocellular-Polymeric Substances-Secretions) et, en ce sens, peut être confondu avec les exopolysaccharides (EPS). Dans ce chapitre, il n’est question que d’exopolysaccharides.

Figure 1. Adhésion bactérienne via la production d’exopolysaccharides et formation d’un biofilm.

Figure 1. Adhésion bactérienne via la production d’exopolysaccharides et formation d’un biofilm.

Source : © Jean Guezennec.

Figure 2. Non, il ne s’agit pas de rouille mais bien d’un biofilm bactérien ! Ces micro-organismes utilisent le fer ferreux présent dans le milieu pour l’oxyder en fer ferrique et provoquer la formation d’un biofilm constitué d’exopolysaccharides et d’oxydes de fer.

Figure 2. Non, il ne s’agit pas de rouille mais bien d’un biofilm bactérien ! Ces micro-organismes utilisent le fer ferreux présent dans le milieu pour l’oxyder en fer ferrique et provoquer la formation d’un biofilm constitué d’exopolysaccharides et d’oxydes de fer.

Source : © Jean Guezennec.

17Les EPS sont naturellement présents, parfois même très visibles, dans la nature. Ils constituent une part importante des biofilms et jouent un rôle majeur dans la survie des bactéries, en influençant leur environnement physico-chimique (figure 2).

18Ils y remplissent plusieurs fonctions, celle parfois d’assurer une cohésion au sein d’un environnement spécifique (figure 3) d’une barrière physique pour lutter contre la phagocytose ou la dessiccation ou encore celle d’une protection effective contre les basses ou hautes températures, ou la salinité.

19Dans des environnements froids comme l’Arctique ou l’Antarctique, par leur présence autour de la cellule bactérienne, ils peuvent assurer une fonction cryoprotectrice (Noghabi et al., 2007). Ils peuvent aussi avoir une fonction essentielle dans les processus d’interactions et de reconnaissances cellulaires (Flemming et Wingender, 2010).

20Mais, pour ces EPS, il y a surtout, et parmi les fonctions les mieux décrites, celle d’assurer la fixation irréversible des micro-organismes sur les surfaces exposées en milieu naturel. En cela, ils favorisent la formation et le développement d’un voile biologique (biofilm), en concentrant et piégeant la matière organique et les oligo-éléments nécessaires à la croissance des bactéries.

21Ce voile biologique, appelé biofilm, est très souvent la première étape de séquences qui vont conduire à la formation, en milieu marin, du micro- et macrofouling. Ce biofilm a des conséquences négatives comme la perte de transfert thermique sur des échangeurs, la résistance à l’écoulement du fluide, ou encore l’initiation de phénomènes de corrosion, plus connus sous le terme de MIC (Microbially Induced Corrosion ou corrosion induite par les micro-organismes) [figure 4].

Figure 3. Les exopolysaccharides assurent une cohésion des communautés microbiennes.

Figure 3. Les exopolysaccharides assurent une cohésion des communautés microbiennes.

Source : © Jean Guezennec.

Figure 4. Corrosion liée à la présence d’un biofilm sur une soudure.

Figure 4. Corrosion liée à la présence d’un biofilm sur une soudure.

Source : © Jean Guezennec.

22À noter que l’un des mécanismes évoqués lors d’une corrosion induite par les bactéries, implique la capacité des EPS à fixer des ions métalliques et la création de cellules galvaniques.

23À l’opposé, ces mêmes EPS peuvent agir de manière positive sur la corrosion des aciers doux en formant des complexes avec les ions ferreux et ferriques et en interférant ainsi avec la diffusion de l’oxygène jusqu’à la surface et les transferts d’électrons (Beech et Sunner, 2004).

3. De la bactérie aux exopolysaccharides : production et caractérisation

24Au niveau du laboratoire, l’identification de bactéries productrices d’EPS passe par une phase de criblage suivie d’une mise en culture en milieu liquide en fermenteurs dont les capacités varient entre 1 et 20 litres. Il faut alors de 48 à 60 heures pour observer un changement notable de ce milieu de culture, notamment une forte augmentation de viscosité, traduisant l’apparition d’EPS.

25Une centrifugation à haute vitesse (20 000 g) permet d’isoler les cellules bactériennes et des traitements ultérieurs, soit utilisant des alcools froids ou de l’acétone, soit des ultracentrifugations et dialyses successives, permettent d’obtenir, dans la grande majorité des cas un exopolymère à très faible taux de contaminants (Guézennec et al., 1994 ; Vincent et al., 1994 ; Rühmann et al., 2015).

26Une fois identifiés les principaux paramètres de croissance et de fermentation, le scale-up (transfert vers une production industrielle) est alors possible (figure 5).

27Le polysaccharide est préservé de toute hydratation ou autre modification d’ordre chimique ou photochimique avant de subir des analyses pour en déterminer, d’une part, la composition en oses et la présence de substituants (acétate, succinate, lactate, hydroxybutyrate, etc.) dont la nature et la position au niveau des chaînes polysaccharidiques peuvent s’avérer primordiales pour certaines fonctionnalités de ces macromolécules et, d’autre part, la structure de l’unité répétitive de la macromolécule.

28De telles analyses requièrent, en ce qui concerne ces macromolécules au demeurant fort complexes, un ensemble de méthodologies de chimie analytique allant de la simple chromatographie en phase gazeuse (CPG) aux différentes techniques de spectrométrie de masse et de résonance magnétique nucléaire (RMN) multidimensionnelle (Rougeaux et al., 1999a et b).

Figure 5. Production industrielle d’exopolysaccharides bactériens.

Figure 5. Production industrielle d’exopolysaccharides bactériens.

Source : Bioréacteur EPS© Codif International.

29La grande majorité de ces polymères de sucres sont des macromolécules de très haute masse moléculaire. Les oses constitutifs peuvent être neutres comme le glucose, le galactose, le mannose, le rhamnose ou le fucose, acides (acides uroniques) tels que l’acide galacturonique ou l’acide glucuronique, ou porteurs d’une fonction amine comme la galactosamine ou la glucosamine.

30Cette diversité de sucres, de même que la nature des liaisons associant ces oses entre eux (liaisons α ou β) et la présence de susbstituants organiques et inorganiques (acétate, pyruvate, lactate, sulfate, etc.) offrent une énorme possibilité de différentes structures monomériques (plusieurs dizaines de millions !), ce qui augure un très large spectre en termes de propriétés fonctionnelles et biologiques.

4. Potentiel des exopolysaccharides en bioremédiation

31Il y a différentes approches possibles si l’on considère le potentiel des bactéries en matière de bioremédiation des métaux et radioéléments. Il s’agit de considérer, soit les interactions du métabolisme bactérien avec ces ions métalliques (bioaccumulation), soit l’utilisation de biomasse inactivée ou de biopolymères (biosorption) [Singh et Cameotra, 2004 ; Wiatroswski et Barkay, 2005 ; De et al., 2008].

32Ce chapitre ne concernera en priorité que l’utilisation des biopolymères utilisés comme biosorbants.

33Les différentes interactions sont les suivantes (figure 6) :

  1. Biosorption en relation avec les constituants de la paroi bactérienne (ex. : acide techoïque, acide muramique, peptidoglycannes, lipopolysaccharides, lipides…) ;

  2. Interaction avec des protéines et formation de complexes protéines-métal ;

  3. Précipitation avec formation de phosphates et de sulfures (ex. : les bactéries sulfato-réductrices [BSR] réduisent les ions sulfates en sulfures [H2S] qui, en contact des ions métalliques précipitent sous forme de sulfures métalliques [SM]) ; cette approche est notamment intéressante s’agissant de conditions anaérobies, c’est-à-dire en l’absence d’oxygène ;

  4. Réactions enzymatiques conduisant soit à la formation de métal (ex. : mercure-Hg-), de sa forme oxydée ou sous forme de composés organométalliques (M-CHx) ;

  5. La dernière possibilité concerne la production de biopolymères et plus spécifiquement celles d’EPS ; cette capacité des EPS à retenir les ions métalliques est liée à la présence de fonctions aptes pour ce rôle ; les fonctions chimiques les plus concernées sont les fonctions carboxyles que l’on retrouve dans les acides uroniques (acide galacturonique, acide glucuronique), amines (glucosamine, galactosamine), sulfonate, et phosphate, les substituants organiques (acétate, pyruvate, lactate, etc.) et les groupements hydroxyles présents dans toutes les structures osidiques ; la présence d’acides uroniques et de fonctions carboxyles apparaît souvent comme un élément déterminant dans la chélation des ions et en particulier des ions divalents (Filipiuk et al., 2005 ; Angyal, 1989) [tableau 1].

Figure 6. Différentes interactions possibles entre une cellule bactérienne et des ions métalliques.

Figure 6. Différentes interactions possibles entre une cellule bactérienne et des ions métalliques.

© Jean Guezennec.

Tableau 1. Exemples de pouvoir de chélation de quelques ions divalents (Pb, Zn et Cd) vs la composition chimique globale de quelques exopolysaccharides marins (les concentrations sont exprimées en mg g-1EPS).

Tableau 1. Exemples de pouvoir de chélation de quelques ions divalents (Pb, Zn et Cd) vs la composition chimique globale de quelques exopolysaccharides marins (les concentrations sont exprimées en mg g-1EPS).

34Mais s’agissant de macromolécules complexes, il reste néanmoins difficile de classer ces différentes fonctions en termes d’efficacité et de priorité, car viennent s’ajouter d’autres paramètres comme la structure et la conformation des macromolécules (linéaire ou ramifiée), la nature des ions métalliques, leur rayon ionique et leur degré d’oxydation.

35Cette interaction avec les ions métalliques est naturellement dépendante du pH en relation par exemple avec le pK des acides uroniques et autres fonctions.

36La température, la salinité, la présence d’ions majeurs ainsi que celle de matière organique dans le milieu sont autant d’autres paramètres qui vont modifier les interactions des biopolymères avec ces ions métalliques. Les processus peuvent donc être complexes.

37De nombreuses études ont été réalisées sur la capacité de fixation des ions par les micro-organismes et EPS. Néanmoins, et pour des raisons liées à des problèmes environnementaux récurrents, une grande partie de ces études a porté sur les métaux lourds ou de transition (Fe, Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, Co, Ag, Hg, etc.) et sur les radioéléments (Co, Cs, U, etc.).

38Il n’est pourtant pas simple d’en faire une synthèse complète en raison :

  1. Des différents protocoles opératoires utilisés par les laboratoires (conditions statiques ou dynamiques, solutions, gels, immobilisation sur supports, etc.) ;

  2. De la nature des sels métalliques testés (sulfates, nitrates, acétates, etc.) ;

  3. Du fait que certaines études aient été menées sur des solutions monoéléments, soit des conditions très souvent éloignées des conditions réelles (solutions multiéléments, présence d’ions en fortes concentrations vs métaux traces, matière organique, etc.).

39Cependant, toutes ces études confirment l’intérêt de ces biopolymères considérant leurs capacités maximales de biosorption souvent (très) supérieures à celles observées par d’autres technologies dont l’utilisation de résines synthétiques (Sar et al., 2004 ; Das et al., 2009 ; Panwichian et al., 2011 ; Dash et Das, 2012 ; Murkerjee, 2014).

5. Exopolysaccharides et bactéries marines

40Le milieu marin est très riche de par sa biodiversité. Les organismes marins possèdent un potentiel immense de synthèse de molécules originales. Selon l’US EPA (United States Environmental Protection Agency), il existerait près de 178 000 espèces marines qui se diviseraient en 34 phyla (embranchements).

41L’intérêt de ces organismes se situe dans tous les domaines des biotechnologies. Et on estime à ce jour que moins de 5 % de ces espèces ont fait l’objet d’études quant à un éventuel potentiel de développement biotechnologique !

42Les molécules synthétisées peuvent parfois constituer des modèles moléculaires pour l’élaboration de produits, notamment en santé humaine ou pour l’environnement. Quel potentiel alors pour les biotechnologies marines ou biotechnologies bleues !

43Mais, si le milieu marin, au travers de cette très grande richesse biologique, est cette source de nouvelles molécules, il est tout aussi clair que les micro-organismes n’y contribuent pas, à ce jour, autant que pourrait laisser supposer la diversité microbienne.

44Les micro-organismes ne sont engagés que dans moins de 20 % des brevets pris au cours de ces dernières années sur les molécules d’origine marine. Et pourtant le nombre de cellules bactériennes varie de quelques centaines à plusieurs millions par mL d’eau de mer. Et ces micro-organismes sont responsables de plus de 50 % de la production primaire et du cycle des nutriments.

45Un tel décalage ou plutôt cette absence de considération du potentiel des micro-organismes marins, est, pour une grande part, liée à ce que l’on pourrait appeler leur non-cultivabilité.

46Les techniques de microbiologie dites classiques, ne permettaient d’accéder qu’à moins de 0,1 % à 1 % des espèces microbiennes présentes dans les écosystèmes marins. Ce qui laisse alors imaginer l’énorme réservoir de molécules nouvelles que constitue ce seul compartiment microbien. Cette ressource inconnue et inexploitée pourrait donc bien être le principal gisement de nouvelles molécules des prochaines décennies.

47Car les micro-organismes marins ont cette fascinante capacité à s’adapter à des environnements différents et à des modifications plus ou moins rapides de ces environnements. Ils se présentent alors comme une piste intéressante dans une optique de bioremédiation et d’élimination de métaux toxiques.

48Dans des environnements caractérisés par des concentrations en métaux extrêmement élevées, ces biopolymères protègent les micro-organismes de leur toxicité en les piégeant et en les retenant dans une matrice polysaccharidique complexe (figure 7).

49Les sources hydrothermales profondes en sont un exemple. Elles se caractérisent par des conditions physico-chimiques particulières (pH, température, pression, hautes teneurs en méthane, sulfures…) mais également par des teneurs en métaux lourds et toxiques théoriquement incompatibles avec tout organisme vivant.

50Le tableau 2 est une illustration de ce que peut être l’environnement de micro-organismes près de sources hydrothermales profondes avec des teneurs en métaux lourds pouvant atteindre plus de 1 300 mg fer par litre d’eau de mer ! Le manganèse, le cuivre et le zinc constituent avec le fer les ions majoritaires dans ces écosystèmes.

51Des concentrations en mercure proches de 200 ng L-1 soit près de 500 à 1 000 fois la teneur habituelle de l’eau de mer, ont été analysées près de certains sites hydrothermaux de même que des teneurs élevées en arsenic (Jeanthon et Prieur, 1990).

52Ces écosystèmes sont alors colonisés par des micro-organismes adaptés à de tels paramètres (figure 8). Et il semble alors logique de penser que ces micro-organismes ont développé des moyens de lutte ou de protection contre la toxicité de ces éléments.

53Dans un autre domaine, celui de l’exploitation de minerais, ces EPS ont également un rôle majeur en favorisant l’attachement des bactéries sur les minerais de pyrite. Mais cet attachement sur la pyrite à un pH proche de 2 est contrôlé par le complexe formé par ces EPS avec les ions ferriques (Gehrke et al., 1998).

54Enfin, n’oublions pas que la matière organique et en particulier les EPS associés au matériel particulier dans les océans, jouent également un rôle prépondérant dans la disponibilité de certains ions comme les ions ferriques pour le phytoplancton et son implication dans la régulation du CO2 atmosphérique (Bhaskar et Bhosle, 2006 ; Van der Merwe et al., 2009 ; Norman et al., 2015).

55Il existe donc logiquement beaucoup d’attentes autour de ces micro-organismes et leurs biopolymères qui peuvent présenter un fort potentiel en matière de développements biotechnologiques et notamment en biotechnologies environnementales (Dash et al., 2013).

Figure 7. Biofilm bactérien dans un environnement riche en métaux lourds.

Figure 7. Biofilm bactérien dans un environnement riche en métaux lourds.

Source : © Jean Guezennec.

Figure 8. Biofilm coloré dans un environnement hydrothermal profond.

Figure 8. Biofilm coloré dans un environnement hydrothermal profond.

Source : © Ifremer-Nautile/Campagne Big.

Tableau 2. Teneurs en quelques ions métalliques déterminées près de sources hydrothermales profondes.

 

Eau de mer

Ride du Pacifique oriental

Ride médio- atlantique

Ride médio- atlantique

profondeur (m)

2 650

2 650

2 300

3 000

température (°C)

2

350

365

353

pH

7,8

3,5

2,8

3,3

hydrogène sulfuré (mM)

0

3-12

1,2

0,5-0,8

hydrogène (mM)

0

0,05-1

12

16

méthane (µM)

0

25-100

2 100

2 500

fer (µM)

<2

750-6 500

24 000

2 500

manganèse (µM)

<2

360-1140

2 250

330

cuivre (µM)

<2

10-40

140

27

zinc (µM)

≤2

40-100

160

29

sulfate (mM)

30

0

0

0

chlore (mM)

546

565

750

515

6. De l’observation de la nature à la réalité industrielle

56Nombre de bactéries marines ont démontré leur capacité à produire, en conditions de laboratoire mais également en conditions industrielles, des EPS avec des rendements de production compris entre 2 et 10 g L-1 (Guezennec et al., 2002, 2011 ; Mancuso-Nichols et al., 2005).

57Certains de ces EPS sont commercialisés notamment dans le domaine de la cosmétique où est, par ailleurs, exploitée leur capacité à chélater certains ions (Zn, Ti, Ag). Ces EPS marins se caractérisent par une très grande diversité en termes de composition chimique (oses neutres, acides uroniques, hexosamines, substituants organiques et inorganiques) et de structure (linéaire, ramifiée et multiramifiée).

58Cette large diversité chimique constitue alors un élément de choix quant à une capacité d’interagir avec les ions (mono-, di-, trivalents et au-delà) avec parfois un caractère de spécificité (tableau 3).

59Des résultats remarquables ont d’ores et déjà été obtenus notamment avec quelques EPS marins. Des valeurs comprises entre 400 et 600 mg Cu2 + g-1 EPS ou encore de 315 mg Pb2 + g-1 EPS ont été déterminées.

Tableau 3. Exemple de souches marines et exopolysaccharides associés : la grande majorité de ces biopolymères marins possède des fonctions chélatrices pouvant retenir par divers mécanismes les ions métalliques présents dans le milieu naturel (nd : non déterminé).

Tableau 3. Exemple de souches marines et exopolysaccharides associés : la grande majorité de ces biopolymères marins possède des fonctions chélatrices pouvant retenir par divers mécanismes les ions métalliques présents dans le milieu naturel (nd : non déterminé).

60Des résultats comparables (figures 9 et 10), voire très supérieurs à ceux obtenus avec d’autres approches, ont été également décrits s’agissant d’éléments très toxiques comme le mercure (jusqu’à 80 mg de mercure par g d’EPS), le nickel, le cadmium, le zinc, le fer et l’argent avec, pour ce dernier élément, des valeurs proches de 330 mg Ag+ g-1 EPS (Loaec et al., 1998 ; Moppert et al., 2009 ; Zhou et al., 2009 ; Ma et al., 2012 ; Deschatre et al., 2013 ; Deschatre 2014). Un autre exemple de la capacité de ces biopolymères marins à interagir avec les ions est donné dans le tableau 4.

Figure 9. Microscopie électronique à balayage réalisée sur un exopolysaccharide marin avant (a) et après (b) contact avec une solution de nickel (1 cm = 12,5 µm) ; la présence de microsphères (flèches) démontre la fixation des ions nickel par l’exopolysaccharide.

Figure 9. Microscopie électronique à balayage réalisée sur un exopolysaccharide marin avant (a) et après (b) contact avec une solution de nickel (1 cm = 12,5 µm) ; la présence de microsphères (flèches) démontre la fixation des ions nickel par l’exopolysaccharide.

Source : © Jean Guezennec.

Figure 10. Modification de coloration des exopolysaccharides en fonction des ions fixés dans la matrice polysaccharidique : blanc : biopolymère pur, bleu : fixation de cuivre et doré : fixation d’argent.

Figure 10. Modification de coloration des exopolysaccharides en fonction des ions fixés dans la matrice polysaccharidique : blanc : biopolymère pur, bleu : fixation de cuivre et doré : fixation d’argent.

Source : © Jean Guezennec.

Tableau 4. Composition chimique globale des exopolysaccharides concernés et capacité de biosorption (Qmax) exprimé en mg/g EPS déterminé pour quelques EPS marins (nd : non déterminé).

Tableau 4. Composition chimique globale des exopolysaccharides concernés et capacité de biosorption (Qmax) exprimé en mg/g EPS déterminé pour quelques EPS marins (nd : non déterminé).

7. Quelles perspectives pour ces biopolymères ?

61Peut-on alors imaginer dès demain des biopolymères produits par des bactéries (et pourquoi pas marines !) issus de ressources renouvelables et de plus biodégradables, comme une alternative aux autres approches de traitement de milieux contaminés ?

62Les résultats et notamment ceux observés avec ces substances marines pourraient le laisser envisager. La production industrielle de ces exopolymères peut être contrôlée, conduisant à une reproductibilité dans leur composition chimique. La connaissance de leur chimie permet également une sélection en amont selon la nature des ions concernés et les conditions physico-chimiques des milieux contaminés.

63Mais à cette question simple, la réponse est compliquée, car si les études en laboratoire s’avèrent souvent prometteuses, le transfert à une échelle industrielle et dans les conditions réelles reste un autre challenge. Une autre raison et pas la moindre, est d’ordre économique, celui de leur coût actuel de production en inadéquation avec les réalités industrielles.

64Mais faut-il y renoncer pour autant ? Bien évidemment que non, considérant plusieurs approches :

  1. Le fait d’utiliser non pas les EPS seuls mais la biomasse, c’est-à-dire l’ensemble formé par les cellules bactériennes inactivées et la production d’exopolymères, et diminuant ainsi de manière très significative, leur coût de production avec probablement un gain d’efficacité (tableau 5) ; un inconvénient à l’utilisation de ces biomasses peut en être un manque de sélectivité considérant alors le nombre de fonctions disponibles pouvant interagir avec différents ions (Acosta et al., 2005 ; Pal et Paul, 2008 ; Gupta et al., 2015) ;

  2. Il peut s’avérer nécessaire de les modifier (granulation) [Liu et Tay, 2004], les fixer ou les immobiliser sur des surfaces minérales ou polymères (Lesmana et al., 2009) ;

  3. Des modifications comme l’acylation sont de nature à donner à certains EPS un degré de sélectivité vis-à-vis des ions présents dans les milieux étudiés ;

  4. Il est peut-être intéressant de pouvoir les associer à d’autres polymères synthétiques ou naturels tels que les algues (alginates), dans une recherche d’une meilleure efficacité mais aussi d’une meilleure spécificité (Gutnick et Bach, 2000 ; Ozdemir et al., 2003, 2005) ;

  5. Et puis n’oublions pas que les progrès en matière de fermentation vont induire très probablement une diminution de leur coût de production.

65Quelles sont les autres solutions ? Il y a le pouvoir de piégeage de la matière organique (polluants) et inorganique (métaux) via la formation et la gestion contrôlée de biofilms bactériens dont les EPS en sont souvent les constituants majoritaires. Les biofilms se transforment alors en biofiltres avec les avantages de stabilité et de résistance qu’ils présentent aux variations environnementales.

66Or, les EPS peuvent représenter jusqu’à 95 % des composants d’un biofilm, à côté des cellules bactériennes elles-mêmes et leurs métabolites, les lipides, les acides humiques, les protéines et acides nucléiques. Des interactions sont naturellement possibles avec chacun de ces autres composants.

67Les acides aminés des protéines, de même que les groupements phosphates dans les acides nucléiques, peuvent contribuer aux interactions biofilm/métaux. Idem pour les cellules bactériennes et la présence de lipopolysaccharides et protéoglycannes à la surface de ces cellules.

68Mais ces contributions semblent néanmoins peu significatives au regard des capacités inhérentes aux seuls EPS. Des expérimentations ont été menées avec succès en utilisant des tambours rotatifs et des biofilms créés sur les surfaces : ces biofilms fixent alors les éléments indésirables de l’eau circulante entrante.

69Toutefois, ce qui est validé au stade expérimental peut l’être plus difficilement en conditions réelles, le passage à une échelle industrielle posant encore souvent des problèmes logistiques et économiques.

70L’ingénierie génétique et la possibilité de modifier génétiquement certains micro-organismes via l’expression de protéines ou peptides spécifiques restent également des voies possibles en termes de biodétoxification (Pieper et Reincke, 2000 ; Valls et De Lorenzo, 2002).

71Cette approche reste néanmoins encore limitée car elle se heurte à une résistance sociétale vis-à-vis des organismes génétiquement modifiés mais également à des problèmes inhérents à la mise en œuvre et à la reproductibilité des procédés.

Tableau 5. Quelques exemples de capacité maximale de biosorption (Qmax) pour des biomasses bactériennes (sans EPS).

Biomasse bactérienne (sans EPS)

Élément métallique

Q
(mg g-1)
max

Pseudomonas putida

Pb2 +

270

Thiobacillus ferroxydans

Pb2 +

443

Thiobacillus ferrooxydans

Zn2 +

172

Cyanobacterium

Zn2 +

71

Thiobacillus ferrooxydans

Cu2 +

40

Sphingomonas sp

Cu2 +

50

Pseudomonas sp

Cu2 +

89

Pseudomonas sp

Cd2 +

66

Aeromonas sp

Cd2 +

155

Bacillus thuringiensis

Ni2 +

46

Actinomycete sp

Ni2 +

36

Pseudomonas sp

Cr4 +

95

Chrococcus sp

Cr6 +

21

Gupta et al., 2015.

8. Autres applications potentielles

72La capacité des EPS à retenir les ions métalliques, quel que soit le mécanisme, peut trouver des applications dans d’autres domaines. À l’opposé de cette notion de biodétoxification, il y a, en utilisant cette même propriété de rétention des ions métalliques, un problème d’importance, celui de la récupération spécifique de métaux critiques dits aussi stratégiques (lithium, antimoine, béryllium, cobalt, fluorure, gallium, germanium, graphite, indium, magnésium, niobium, platinoïdes, tantale, tungstène) ou encore les terres rares (Chen et al., 2011).

73Ces dernières, peu présentes en Europe mais surtout en Chine qui en assure 95 % de la production font l’objet d’une forte demande tirée par les produits high-tech (écrans plats, capteurs, systèmes audio, disques durs, fibres optiques, etc.), l’automobile, l’aéronautique, la défense (pots catalytiques, piles à combustible, alliages, etc.), les applications médicales (agents de contraste pour l’IRM, lasers, radiothérapie) et les technologies vertes (génératrices d’éoliennes, ampoules basse consommation, batteries pour véhicules électriques, panneaux solaires à couches minces).

74Une autre application pourrait se trouver dans la vectorisation d’oligo-éléments (fer, magnésium) et vitamines, ou au contraire, celui du traitement de certaines pathologies comme l’hémochromatose. Les hémochromatoses se caractérisent par une surcharge de fer dans l’organisme. En cas de contre-indication à des traitements existants, des chélateurs de fer, comme les EPS, pourraient être envisagés.

9. Conclusions

75Les biotechnologies dites environnementales utilisent les innovations et le potentiel de la biotechnologie et de la microbiologie pour résoudre les problèmes liés à la protection et à la préservation de l’environnement. En associant écologie et biotechnologie, elles permettent d’exploiter de nouveaux procédés, plus propres et plus compétitifs, assurant ainsi l’équilibre naturel de la planète et de la biosphère. Elles restent toujours une science multidisciplinaire encore très expérimentale, et ce, malgré l’existence de modèles sophistiqués pour prédire la structure des communautés microbiennes.

76Malgré un fort engouement de la part des industriels et du public, il reste à développer, parallèlement aux efforts de recherche, des solutions techniques commercialisables.

77L’observation de la nature et de son fonctionnement doit être source d’inspirations. Elle nous renseigne sur les formes de stratégie mises en place par les organismes vivants pour survivre ou s’adapter à leur environnement. Les micro-organismes n’échappent pas à cette règle et ont développé, au cours du temps, des moyens de lutte pour survivre dans un milieu parfois défavorable, voire hostile.

78Ces moyens de lutte passent par de nouvelles voies métaboliques, la production de molécules tels les métabolites secondaires, ou encore celle de biopolymères qui pourraient trouver des applications dans de nombreux secteurs industriels.

79Efficacité, spécificité et absence de coproduits toxiques, sont quelques avantages à l’utilisation de micro-organismes pour protéger et préserver notre environnement des contaminations industrielles liées notamment aux métaux lourds et radioéléments. Leur utilisation peut être toutefois freinée par un coût de production en inadéquation avec les réalités économiques.

80Mais les valeurs obtenues en laboratoire sont bien là pour démontrer le fort potentiel de ces biopolymères. La spécificité pose également problème dans le cas de mélanges de contaminants (et c’est souvent le cas). Et cette spécificité peut être recherchée et trouvée dans la très grande diversité de biopolymères que synthétisent ces bactéries marines.

Table des illustrations

Titre Figure 1. Adhésion bactérienne via la production d’exopolysaccharides et formation d’un biofilm.
Crédits Source : © Jean Guezennec.
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Fichier image/jpeg, 16k
Titre Figure 2. Non, il ne s’agit pas de rouille mais bien d’un biofilm bactérien ! Ces micro-organismes utilisent le fer ferreux présent dans le milieu pour l’oxyder en fer ferrique et provoquer la formation d’un biofilm constitué d’exopolysaccharides et d’oxydes de fer.
Crédits Source : © Jean Guezennec.
URL http://books.openedition.org/pufc/docannexe/image/11117/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 28k
Titre Figure 3. Les exopolysaccharides assurent une cohésion des communautés microbiennes.
Crédits Source : © Jean Guezennec.
URL http://books.openedition.org/pufc/docannexe/image/11117/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 20k
Titre Figure 4. Corrosion liée à la présence d’un biofilm sur une soudure.
Crédits Source : © Jean Guezennec.
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Fichier image/jpeg, 11k
Titre Figure 5. Production industrielle d’exopolysaccharides bactériens.
Crédits Source : Bioréacteur EPS© Codif International.
URL http://books.openedition.org/pufc/docannexe/image/11117/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 23k
Titre Figure 6. Différentes interactions possibles entre une cellule bactérienne et des ions métalliques.
Crédits © Jean Guezennec.
URL http://books.openedition.org/pufc/docannexe/image/11117/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 17k
Titre Tableau 1. Exemples de pouvoir de chélation de quelques ions divalents (Pb, Zn et Cd) vs la composition chimique globale de quelques exopolysaccharides marins (les concentrations sont exprimées en mg g-1EPS).
URL http://books.openedition.org/pufc/docannexe/image/11117/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 18k
Titre Figure 7. Biofilm bactérien dans un environnement riche en métaux lourds.
Crédits Source : © Jean Guezennec.
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Fichier image/jpeg, 14k
Titre Figure 8. Biofilm coloré dans un environnement hydrothermal profond.
Crédits Source : © Ifremer-Nautile/Campagne Big.
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Fichier image/jpeg, 18k
Titre Tableau 3. Exemple de souches marines et exopolysaccharides associés : la grande majorité de ces biopolymères marins possède des fonctions chélatrices pouvant retenir par divers mécanismes les ions métalliques présents dans le milieu naturel (nd : non déterminé).
URL http://books.openedition.org/pufc/docannexe/image/11117/img-10.jpg
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Titre Figure 9. Microscopie électronique à balayage réalisée sur un exopolysaccharide marin avant (a) et après (b) contact avec une solution de nickel (1 cm = 12,5 µm) ; la présence de microsphères (flèches) démontre la fixation des ions nickel par l’exopolysaccharide.
Crédits Source : © Jean Guezennec.
URL http://books.openedition.org/pufc/docannexe/image/11117/img-11.jpg
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Titre Figure 10. Modification de coloration des exopolysaccharides en fonction des ions fixés dans la matrice polysaccharidique : blanc : biopolymère pur, bleu : fixation de cuivre et doré : fixation d’argent.
Crédits Source : © Jean Guezennec.
URL http://books.openedition.org/pufc/docannexe/image/11117/img-12.jpg
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Titre Tableau 4. Composition chimique globale des exopolysaccharides concernés et capacité de biosorption (Qmax) exprimé en mg/g EPS déterminé pour quelques EPS marins (nd : non déterminé).
URL http://books.openedition.org/pufc/docannexe/image/11117/img-13.jpg
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Auteur

Docteur en chimie-biochimie de l’université Pierre et Marie-Curie (1986) et titulaire d’une habilitation à diriger des recherches obtenue en 1992 auprès de cette même université. Il a réalisé la plus grande partie de sa carrière à l’Ifremer (Institut français de recherche et d’exploitation de la mer) où il a d’abord dirigé un programme de recherches sur les problèmes d’adhésion bactérienne sur les surfaces exposées en milieu marin et les conséquences en termes de biofilms et de comportement des matériaux. Il a par la suite activement contribué à la mise en place du projet autour des biotechnologies marines à l’Ifremer et en a assuré la responsabilité au niveau du département puis au niveau de l’ensemble des programmes de recherche et de valorisation sur ce thème, au sein de l’Institut. Il est auteur de plus de 160 publications scientifiques et inventeur ou co-inventeur de 15 brevets.
Adresse : Advices in Marine Biotechnology, 17 rue d’Ouessant, 29280 Plouzané.

© Presses universitaires de Franche-Comté, 2017

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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