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Qu-est ce que la bioremédiation?

La bioremédiation se définit comme l’élimination des contaminants dans une zone grâce à des microorganismes (bactéries, champignons, etc.) qui sont présents dans celle-ci de manière naturelle, ou qui y ont été ajoutés dans ce but.

Comment peut-on démontrer que la diminution de la contamination est causée par la présence de bactérie et non par d’autres facteurs?

On peut réaliser des analyses en utilisant des biomarqueurs (marqueurs biologiques) qui permettent de savoir que la dégradation des contaminants n’est pas conséquence d’actions physiques, comme l’évaporation ou la photo-oxydation, (modification de la structure d’un composé par l’action de la lumière solaire) ou l’union du contaminant au sol (par adsorption et absorption), mais bien la conséquence de l’activité des bactéries.

Qu’est-ce qu’un biomarqueur (marqueur biologique)?

Un marqueur biologique est un composé qui fait partie de l’agent contaminant et qui se comporte de la même manière que le produit que l’on doit éliminer face à des processus physiques. Il n’est pas le contaminant et peut être le dernier composant du contaminant à être attaqué par action biologique (c’est-à-dire, par activité des bactéries, champignons, etc…)

Qu’est-ce qu’un hydrocarbure?

Un hydrocarbure est un composé formé exclusivement d’atomes d’hydrogène et de carbone unis entre eux et formant une chaine qui peut être plus ou moins longue selon le nombre d’atomes de carbone qui la forme. Cette chaine peut être simple, ramifiée ou fermée.

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Représentation schématique de la structure d’un hydrocarbure de chaine simple et linéaire. Chaque intersection représente un atome de carbone et les lignes représentent les unions entre eux. 

Que fait une bactérie aux hydrocarbures?

Pour certaines bactéries, les hydrocarbures sont une source de carbone. Les bactéries absorbent les hydrocarbures, extraient les atomes de carbone qu’ils contiennent et les utilisent pour leur croissance et leur reproduction. De cette manière, les hydrocarbures situés dans une zone se dégradent et disparaissent en se transformant en de nouvelles bactéries, du CO2 et de l’eau.

Combien de produits différents contiennent le gasoil?

Le gasoil est un dérivé du pétrole, et est formé d’approximativement 75% d’hydrocarbures linéaires et de 25% d’hydrocarbures aromatiques (cycliques) de longueur entre 9 et 26 carbones.
Au moyen de techniques de laboratoires telles que la chromatographie des gaz et la spectrophotométrie de masse, on peut identifier et quantifier chacun des hydrocarbures qui constituent le gasoil à partir de graphiques (chromatogrammes) comme ci-après, où chaque pic représente un hydrocarbure avec un nombre total d’atomes de carbone déterminé. La hauteur du pic marque la quantité.

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Quels sont les biomarqueurs dans une contamination para hydrocarbures?

Dans une contamination par hydrocarbures, comme les déversements de pétrole ou de ses dérivés (gasoil, essence, etc.) les marqueurs qui sont utilisés sont le pristane, le phytane et le hopane.

Que sont le pristane et le phytane.

Le pristane et le phytane sont des composés présents dans le pétrole et ses dérivés. Ils sont formés exclusivement par des atomes d’hydrogène et de carbone mais, à différences des hydrocarbures linéaires, ils sont unis par une structure ramifiée. Ces ramification expliquent le fait que les bactéries ne peuvent utiliser ni dégrader ces substances facilement.

D’un autre côté, en ce qui concerne leur disparition par cause physique comme l’évaporation, la photo-oxydation, etc. , le pristane et le phytane se comportent de la même manière que les hydrocarbures linéaires avec un nombre d’atomes similaires au leur ; concrètement de la même manière que les C17 et C18.

Toutes ces caractéristiques font qu’on utilise le pristane et le phytane comme des biomarqueurs de la bioremédiation du pétrole et de ses dérivés.  

 

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Représentation schématique de la structure du pristane, du phytane et des hydrocarbures linéaires C17 et C18.

Que sont les hopanes?

Les hopanes sont des molécules constituées par des atomes de carbone et d’hydrogène. Elles sont d’origine végétale et font partie du pétrole et de ses dérivés ; mais leur structure est beaucoup plus complexe que celle des autres hydrocarbures. Dans ce cas, les chaînes de carbone s’unissent en formant des anneaux unis entre eux. En conséquence de cette complexité, les bactéries ne peuvent pas rompre la structure et éliminer les hopanes ; c’est pour cette raison et aussi parce que face à des processus physiques ils se comportent de la même manière que les hydrocarbures policyliques, que les hopanes sont utilisés comme biomarqueurs de la bioremédiation de la contamination par pétrole et ses dérivés.

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Schéma : en haut, représentation schématique de la structure des hopanes. En bas, représentation schématique de la structure d’un hydrocarbure aromatique policyclique, concrètement le crisene.

Comment pouvons-nous affirmer que la bioremédiation de pétrole et dérivés se produit dans un environnement déterminé?

Il suffit d’identifier et de quantifier combien de différentes substances composent le pétrole ou ses dérivés comme le diesel, et de comparer leur disparition par rapport à la disparition des biomarqueurs.

Quand les différents composés du pétrole et ses dérivés disparaissent plus rapidement que les biomarqueurs, cela signifie que la disparition est sélective et est causée par l’activité des bactéries. On peut donc affirmer que la bioremédiation se produit. Au contraire, si la disparition n’est pas sélective ou similaire pour tous les composés du pétrole, biomarqueurs inclus, cela signifie que la diminution de ces substances est causée par des processus physiques comme l’évaporation, la photo-oxydation, etc… Dans ce cas, la bioremédiation ne se produit pas.

Nous avons exposé auparavant que les différents composé du pétrole et de ses dérives peuvent se quantifier au moyen d’une chromatographie de gaz et de spectrophotométrie de masse. En divisant simplement les quantités présentes dans une zone de C17 et C18 par des quantités de biomarqueurs, pristane et phytane respectivement, nous obtiendrons la valeur d’un indice ( et/ou ). Si la valeur de ces indices se réduit avec le temps cela signifie que le C17 et le C18 disparaissent plus rapidement que ses biomarqueurs, cela signifie que la bioremédiation s’est produite dans cette zone. Ci-après, nous montrons un exemple de l’application de ce système, publié dans la revue Pollution Bulletin 46 (2003) 887-899, où nous trouvons le graphique suivant:

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Dans ce cas les indices entre C17/pristane et le C18/phytane passent d’une valeur de 1.1 et 1.3 respectivement au jour 0 à 0,9 et 0,7 au jour 40 (figure A et B), un indice clair de la biodégradation. L’élimination physique du pétrole ne causerait pas une élimination préférentielle des composés. À la fin de l’expérience, le jour 343, il y a une disparition drastique des hydrocarbures saturés (figure C). Tous les pics disparaissent à l’exception de ceux correspondant au pristane et au phytane, lesquels ne disparaissent pas mais se réduisent de manière significative.


 

Peut-on utiliser n’importe quel biomarqueur dans n’importe quelle situation?

Non. Il y a des bactéries qui ont une grande capacité pour utiliser tout type de composé parmi lesquels ils y a aussi des biomarqueurs (le pristane et le phytane), mais ne les utilisent que jusqu’à ce qu’elles n’aient plus d’autre option. En conséquence, durant les première phases du processus de bioremédiation, les bactéries ont beaucoup de sources de carbone disponibles pour choisir entre les hydrocarbures présents dans le pétrole, et donc, n’utilisent ni le pristane ni le phytane, lesquels servent de biomarqueurs.

Dans des phases plus avancées de bioremédiation, les sources de carbone faciles à utiliser s’épuisent et il y a des bactéries qui commencent à dégrader le pristane et le phytane ; à ce moment, ils ne servent plus de biomarqueur. C’est pour cette raison que, pour démontrer que la bioremédiation se produit dans les étapes finales, on a besoin de marqueurs avec une structure moléculaire plus complexe comme les hopanes.  

Exemple de dégradation de fuel par l’action de la bioremédiation avec le méthode BIOPULCHER

Durant l’été 2014, des tâches de fuel sont apparues sur plus d’un kilomètre de côte sur la plage de El Cabron, aux Canaries. On pense que ce rejet de fuel est causé par le nettoyage des cuves d’un cargo en haute mer que le courant a repoussé vers la côte.

Dans un premier temps, le fuel a été retiré mécaniquement avec l’aide de près de 200 volontaires. Mais que fait-on du fuel qu’on ne peut pas retirer ? Comment l’éliminer ?

Nous avons proposé la méthode BIOPULCHER comme méthode de bioremédiation pour pouvoir éliminer les restes de fuel au moyen de l’activité bactérienne dans les zones où on ne peut pas retirer le fuel mécaniquement. Pour ce faire, nous avons pris des échantillons de fuel et nous les avons traités avec la méthode BIOPULCHER en laboratoire. Les jours 7, 14, 22, 36 et 60 nous avons pris des échantillons de l’expérience et nous les avons analysés pour déterminer l’efficacité de notre méthode comme système de bioremédiation au moyen d’analyses des relations C17/pristane et C18/phytane. Les résultats furent les suivants:

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 Comme on peut apprécier dans la table 1, au bout de 60 jours d’incubation, les quantités d’hydrocarbures totales C10-C40 se sont réduites de 75%. De plus, comme on peut observer dans la table 2, il y a une diminution des relations d’hydrocarbures et des biomarqueurs indicateurs de l’action de bioremédiation.

De ces résultats on peut conclure et affirmer que la méthode de bioremédiation de BIOPULCHER est efficace pour éliminer la contamination de fuel rejetée au niveau de la plage de El Cabron.

Bibliographie:

  1. J.E. Ortiz, M.J. García and J.L. Rodríguez Gallego. Biomarcadores y su utilidad en la evaluación de la biodegradación del petróleo. Industria y Minería, 2003 (351): 41-45

 

  1. Roger C. Prince, David L. Elmendorf, James R. Lute, Chang S. Hsu, Copper E. Haith, James D. Senius, Gary J. Dechert, Gregory S. Douglas, and Eric L. Butier. 17a(H),21@(H)-Hopane as a Conserved Internal Marker for Estimatlng the Biodegradation of Crude Oil. Envkon. Scl. Technol. 1004, 28, 142-145

 

  1. Albert D. Venosa, Makram T. Cuidan, Brian A. Wrenn, Kevin L. Strohmeier, John R. Haines, B. Loye Eberhart, Dennis King, and Edith Holder. Bioremediation of an Experimental Oil Spill on the Shoreline of Delaware Bay. Environ. Sci. Technol. 1996, 30, 1764-1775

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