Des bactéries magnétiques peuvent aider à extraire les métaux lourds dangereux des eaux usées
Stations d'épuration en filigrane
Une équipe de chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a réussi à purifier de l'eau contenant de l'uranium à l'aide d'un type particulier de bactéries appelées bactéries magnétotactiques. Ce nom provient de leur capacité à réagir aux champs magnétiques. Elles peuvent accumuler les métaux lourds dissous dans leurs parois cellulaires. Les résultats de ces recherches apportent également un nouvel éclairage sur l'interaction entre l'uranium et les bioligands.
Les bactéries magnétotactiques fixent l'uranium dans leur paroi cellulaire (schéma de droite). Elles peuvent être utilisées pour purifier l'eau contaminée par l'uranium en séparant les bactéries chargées à l'aide d'un aimant (illustration de gauche).
B. Schröder/HZDR
"Nos expériences sont orientées vers des applications industrielles potentielles dans le domaine de l'assainissement microbiologique de l'eau, en particulier lorsqu'elle est contaminée par des métaux lourds du type de ceux que l'on trouve dans les eaux de drainage des anciennes mines d'uranium", explique le Dr Evelyn Krawczyk-Bärsch de l'Institut d'écologie des ressources de l'HZDR. "Pour ce projet, nous avons fait appel à un groupe d'êtres vivants très particulier : les bactéries magnétotactiques", ajoute son collègue, le Dr Johannes Raff, avant de poursuivre : "En raison de leur structure, elles sont tout à fait prédestinées à une telle tâche".
En effet, elles présentent une caractéristique qui les différencie des autres bactéries : les bactéries magnétotactiques forment des cristaux magnétiques nanoscopiques à l'intérieur de la cellule. Ces cristaux sont disposés comme une rangée de perles et sont si parfaitement formés que l'homme serait actuellement incapable de les reproduire synthétiquement. Chaque cristal magnétique est entouré d'une membrane protectrice. Ensemble, les cristaux et la membrane forment ce que l'on appelle le magnétosome, que les bactéries utilisent pour s'aligner sur le champ magnétique terrestre et s'orienter dans leur habitat. Cela leur permet également de se prêter à des processus de séparation simples.
Les bactéries magnétotactiques se trouvent dans presque tous les milieux aqueux, de l'eau douce à l'eau salée, y compris dans des environnements très pauvres en nutriments. Le microbiologiste Christopher Lefèvre les a même découvertes dans les sources chaudes du Nevada. C'est auprès de lui et de son collègue, le Dr Damien Faivre, du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), que les scientifiques de Rossendorf ont obtenu leur souche bactérienne, ainsi que des conseils d'experts sur la meilleure façon de les conserver.
Des collecteurs de métaux lourds stables dans un environnement hostile
Les bactéries magnétotactiques peuvent survivre à des pH neutres, même dans des solutions aqueuses contenant des concentrations élevées d'uranium. Dans une large gamme de pH, elles fixent l'uranium presque exclusivement dans leurs parois cellulaires, ce qui constitue une excellente base pour faire face aux conditions que l'on trouve dans l'eau associée à l'exploitation minière. L'uranium ne pénètre pas à l'intérieur de la cellule au cours de ce processus et n'est pas non plus lié par le magnétosome.
On savait déjà que différents types de bactéries pouvaient fixer des métaux lourds dans leurs parois cellulaires, bien qu'elles soient potentiellement structurées de manière très différente. Dans le cas des bactéries magnétotactiques, les parois cellulaires sont constituées d'une couche de peptidoglycane, une macromolécule composée de sucres et d'acides aminés qui est le principal composant des parois cellulaires de nombreuses bactéries, et dont l'épaisseur n'est que de quatre nanomètres. Les parois cellulaires des bactéries magnétotactiques sont entourées d'une membrane externe composée de sucres et de composants semblables à des graisses : des sites d'ancrage potentiels pour l'uranium.
"Nos résultats montrent que chez les bactéries magnétotactiques, le peptidoglycane joue le rôle principal dans l'absorption de l'uranium. Cette connaissance est nouvelle et inattendue pour ce type de bactéries", déclare Krawczyk-Bärsch. L'équipe a même réussi à identifier trois espèces spécifiques de peptidoglycane d'uranium et à confirmer ses résultats avec des échantillons de référence. Ces nouvelles connaissances n'ont été possibles que grâce à la combinaison de la microscopie et de diverses techniques spectroscopiques, une combinaison que l'on trouve rarement ailleurs dans le monde. "En coopérant avec l'Institut de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux du HZDR, par exemple, nous avons pu utiliser le microscope électronique. La proximité de nos instituts sur le site et l'expertise de nos collègues constituent un avantage majeur pour notre travail", résume M. Raff.
Importance pour la purification de l'eau contaminée
Grâce à leurs propriétés magnétiques, les bactéries magnétotactiques peuvent être facilement séparées de l'eau à l'aide d'aimants. "Il est concevable que cela puisse être réalisé à grande échelle en effectuant le traitement directement dans l'eau de surface ou en pompant l'eau des mines souterraines et en la dirigeant vers des installations de traitement pilotes", explique Krawczyk-Bärsch, dans l'optique de développer des stratégies innovantes de purification de l'eau contaminée. L'utilisation de bactéries magnétotactiques pourrait constituer une alternative efficace aux traitements chimiques conventionnels coûteux, car les bactéries magnétotactiques sont peu exigeantes en termes d'entretien ; la mise en œuvre d'autres solutions basées sur la biomasse, en revanche, échoue régulièrement en raison des coûts liés à l'augmentation des besoins en nutriments et en énergie.
Un autre détail a suscité l'intérêt des chercheurs pour ces bactéries : leurs protéines peuvent stabiliser le fer divalent et trivalent afin que la magnétite stockée dans les magnétosomes puisse être synthétisée. "Nous nous demandons donc vraiment comment ces micro-organismes interagissent avec les radionucléides dans différents états d'oxydation. Nous pensons en particulier au plutonium", explique M. Raff. En effet, contrairement à l'uranium, il est concevable que sa similarité chimique avec le fer lui permette d'emprunter d'autres voies d'entrée dans la cellule. Comment cela influence-t-il le comportement migratoire du plutonium dans la nature, et cela pourrait-il être un moyen d'éliminer le plutonium des eaux usées ? Le sujet est donc également pertinent pour la recherche sur les dépôts : les résultats obtenus pourraient alors être intégrés dans l'évaluation de la sécurité.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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