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La bioremédiation Introduction à la bioremediation Phytoextraction Phytodégradation Phytofiltration Applications de la bioremédiation Conclusion : données économiques sur la bioremédiation ABRAHAM Louis PERNES Stéphane

La bioremédiation Introduction à la bioremediation Phytoextraction Phytodégradation Phytofiltration Applications de la bioremédiation Conclusion : données

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Page 1: La bioremédiation Introduction à la bioremediation Phytoextraction Phytodégradation Phytofiltration Applications de la bioremédiation Conclusion : données

La bioremédiation

Introduction à la bioremediation

PhytoextractionPhytodégradationPhytofiltration

Applications de la bioremédiationConclusion : données économiques sur la bioremédiation

ABRAHAM LouisPERNES Stéphane

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Introduction Problèmes de contamination du sol engendrant

des risques pour les écosystèmes et l'homme, directement (par ingestion de particules) ou indirectement (contamination de la chaîne alimentaire)

Bioremédiation : divers aspects

► Phytoextraction

► Phytodégradation

► Phytofiltration

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Phytoextraction

Alternative ou complément aux traitements physico-chimiques des sols contaminés par des métaux lourds

Utilisation de plantes accumulatrices qui concentrent les polluants dans leurs parties récoltables

Deux types de phytoextraction :

► Phytoextraction continue

► Phytoextraction induite

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Paramètres à prendre en compte :

► La nature des polluants

► La fertilité du sol

► Les espèces de plantes adaptées au climat

► Les pratiques agronomiques adéquates pour cultiver ces plantes

facteurs améliorant la phytoextraction : PH, chelateurs…

Mise en pratique

Optimisation : implantation d’arbres permettant d’agir à de grandes profondeurs

Récupération des polluants : séchage des feuilles ensuite réduites en cendre pour être traitées et en extraire les métaux

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La phytoextraction continue Utilisation de plantes pouvant

accumuler au sein même de leurs tissus des quantités importantes de métaux lourds (jusqu'à 1% de leur matière sèche)

-> plantes hyperaccumulatrices (environ 400 espèces reconnues)

Mécanisme : complexation des métaux avec des acides organiques ou des acides aminés synthétisés par la plante. Puis transport des racines vers les parties aériennes (tiges et feuilles) Métaux susceptibles d’être accumulés : cobalt, cuivre, zinc

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La phytoextraction induite Utilisation de plantes prélevant les

métaux lourds seulement en présence de chélateurs

Les chélateurs sont appliqués une fois que la plante a atteint un niveau de biomasse optimal

Le prélèvement de métaux est dès lors intense mais réduit en durée.

Chelateurs : choisis en fonction du métal à extraire : EDTA pour le plomb, EGTA pour le cadmium, citrate pour l’uranium.

Processus supposé : transport du métal facilité par la formation de complexes métal-chélateurs

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Avantages et inconvénients de la phytoextraction

AVANTAGES

L'activité biologique et la structure des sols sont maintenues après le traitement

La technique est d'un coût relativement faible

Le paysage reste (ou devient) agréable grâce à l'implantation de végétaux

Les métaux extraits peuvent facilement être récupérés

Permet de réduire la pénétration des contaminants dans l'environnement en empêchant leur déversement dans les réseaux d´eau souterraine.

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Avantages et inconvénients de la phytoextraction

INCONVENIENTS

Nécessité d’un équipement pour la récolte des hyperaccumulateurs

Rareté des plantes hyperaccumulatrices

Risque de contamination lors de la gestion des produits de la récolte.

Faible production de biomasse et croissance lente

Limiter par la profondeur des racines en général de 1 à 1,80 m pour les plantes herbacées et de 3 à 4,5 m pour les arbres.

Certaines plantes qui absorbent une grande quantité de composés toxiques pourraient mettre en danger la chaîne alimentaire si des animaux les mangent.

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Biodégradationexemple des hydrocarbures

• Phytodécontamination concernant les composés organiques et hydrocarbures réalisée par les microorganismes

• Assimilation des n-alcanes et alcanes ramifiés

Aspergillus

Penicillium

Acremonium

Trichoderma

Fusarium

Micrococcus

Arthrobacter

Rhodococcus

Pseudomonas

Xanthomonas

Acinetobacter

Flavobacterium

Agrobacterium

Gram +Gram -

ChampignonsBactéries

PseudomonasPenicillium

Dans le sol, période d'adaptation enzymatique, puis période de forte croissance

Lorsque les composés les plus facilement dégradables ont été utilisés, la population diminue

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Pollution de l'eau par les métaux lourds : problème environnemental majeur

Techniques d’échanges d'ions ou précipitations chimiques ou microbiologiques : efficacité variable selon les métaux…

Phytofiltration : racines de plantes supérieures utilisées pour

accumuler des métaux lourds

La Phytofiltration

tournesols (Helianthus annuus) 

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La rhizofiltration

Méthode semblable à la phytoextraction, appliquée au traitement des eaux de surface et souterraines

Plantain corne-de-boeuf

(Plantago coronopus) 

Extraction directement dans la plante par les racines (absorption), soit indirectement par adsorption

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Exemple de Rhizofiltration / Phytofiltration

Utilisation de jardins filtrants en complement d’une station d’epuration

Traitement des eaux usées : élimination des charges organiques, de l’azote, du phosphore, désinfection des germes, biodégradation de nouvelles molécules…

Utilisation de variétés de phragmites

Pour les industries au fil de l’eau, opportunité de faire du développement durable

Phragmites 

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La phytostabilisation

Utilisation de plantes pour retenir les polluants du sol et de l´eau ou pour réduire leur mobilité

Plantain corne-de-boeuf

(Plantago coronopus) 

Absorption ou adsorption des polluants par les racines, ou par la réduction de l'érosion du sol et de la poussière soulevée par le vent

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Applications

Bioremédiation par les bacteries

Bioremédiation par les levures

Bioremédiation par les algues

Phytoremédiation

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Bactéries dénitrifiantesPseudomonas halodenitrificans

Les bactéries hétérotrophes vont modifier leur métabolisme pour utiliser les formes oxydées d’azote (NO2-, NO3-) comme accepteurs d’électrons au lieu de l’oxygène moléculaire

La réduction mènera à la production finale d’azote moléculaire, élément gazeux inerte qui retourne dans l'atmosphére et ne présente plus de danger de pollution.

NO3

- → NO2

- → N2O → N

2

Les nitrates :Utilisés en agriculture sous forme d'engraisDeviennent une menace pour la qualité de l'eau

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L’activité dénitrifiante d’un sol dépend de plusierus facteurs physico-chimiques.

La tension d’oxygèneLe degré d‘humidité dans le solLa teneur en carbone organiqueLe pH et la températureLa salinité

Autres bactéries capables d’effectuer la dénitrification : Pseudomonas aeruginosa, Alcaligenes eutrophus,P. halodenitrificans, Thiobacillzcs…

Bactéries dénitrifiantes

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Phytoremédiation des métaux

Métaux lourdsMétaux lourds

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Phytoremédiation des composés organiques

Composés organiquesComposés organiques

Une fois absorbés, les composés organiques ne vont pas être stockés comme les métaux, ils peuvent être :Transportés dans les parties aériennes de la plante et volatilisésDégradés partiellement ou complètementTransformés en composés moins toxiques et liés dans les tissus de la plante sous forme non disponible

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Phytoremédiation du TNTLe TNT pose problème dans toutes les régions du monde où ont eu lieu des essais militaires au cours du dernier siècle.

Une récente étude a travaillé sur une possible phytoremédiation concernant le TNT à l'aide d'une espèce de tabac génétiquement modifié.

Les chercheurs ont incorporé le gène d'une nitroréductase provenant de Enterobacter cloacae dans Nicotiana tabacum. Après avoir isolé les plants de tabac ayant incorporé le gène, des tests ont été réalisés sur un sol contaminé par du TNT par rapport à un plant contrôle.

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Phytoremédiation du TNT

On remarque que le tabac génétiquement modifé est nettement plus résistant au TNT que le tabac sauvage.

De plus, le tabac transgénique est capable de décontaminer 100% du TNT contenu dans le sol jusqu'à une concentration de 0.5mM de TNT (limite de solubilisation du TNT) contre 0.05mM pour le tabac sauvage.

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Problème du Tc99

Tc-99 est un polluant radioactif contenu dans les sols.

Il en est naturellement extrait par les plantes (phytoextraction et d'hyper-accumulation)

Le problème :Toute plante possède cette capacité.

Il peut donc y avoir concentration de cet élément nocif dans des cultures à vocation alimentaire, puis ingestion par les consommateurs.

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Données économiques

Incinération

0,01-1 80 45-230 150-500

Phytore-médiation

Traitement thermique

basse température

Traitement thermique

haute température

Coût en €/m3 de sol

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De plus, certains produits secondaires de la phytoremédiation peuvent être valorisés.

Ces produits sont :

Les métaux extraits du sol qui peuvent être vendus après incinération ou compostage de la récolte

L'énergie thermique issue de la combustion de la culture qui peut servir à la production d'électricité (130€ par hectare).

Données économiques

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Mais :

La lenteur de cette méthode (une dizaine) ne permet pas son application systématique.

Tous les composés récoltés ne pourront pas être réutilisés après combustion de la récolte : il faut donc parfois inclure un surcoût dû au stockage de la biomasse contenant les produits dangereux.

Les industriels hésitent parfois à l'employer car juridiquement, tout traitement de dépollution d'une durée de plus de six mois entraîne le passage d'une installation classée légère à une installation classée lourde, ce qui entraîne un surcoût.

Données économiques

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La phyto-exploitation minièreDéf : Utilisation de plantes pour extraire des substances inorganiques de valeur (métaux précieux ...)

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AVANTAGES :

Innocuité environnementale

Réutilisation du sol pour l'agriculture après la fin du fonctionnement des "phytomines".

Utilisation dans des zones où il n'est pas envisageable de creuser une galerie ou une mine à ciel ouvert.

Apte à mobiliser des métaux présents en très faibles concentrations

Le minerai extrait est plus pur que le minerai habituel

Le minerai, sous forme de cendres, est facile à stocker.

La phyto-exploitation minière

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Rentabilité :

On considère qu'une "phytomine" est rentable si elle rapporte plus de 500 $ par hectare et par an.

Le rendement économique peut donc se calculer ainsi : Réco = P x C x R

Avec : P = Prix du minerai (en $ par tonne de minerai)C = Concentration en minerai dans la plante (en tonne

de minerai par tonne de biomasse sèche)R = Rendement de la culture (en tonne de biomasse

sèche par hectare)

La phyto-exploitation minière

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Élément Prix Rendement Rentabilité

Thallium 300000 8 7368

Manganèse 1700 30 2805

Cobalt 48000 4 1958

Nickel 6090 18 1863

Cuivre 1964 5 82

Zinc 1192 4 48

Cadmium 3750 4 45

Uranium 22000 10 22

Plomb 577 4 19

Plante utilisée

Concen-tration

Iberis intermedia 3,07.10-3

Macadamia neurophylla 55.10-3

Haumaniastrum robertii 10,2.10-3

Berkheya coddii 17.10-3

Haumaniastrum katangense 8.35.10-3

Thlaspi calaminiare 10.10-3

Thlaspi caerulescens 3.10-3

Atriplex confertifolia 0,1.10-3

Thlaspi rotundifolium 8,2.10-3

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Semis

Engrais

Récolte

Incinération

Biominerai fondu

Quantité de minerai suffisante dans le sol

Quantité de minerai suffisante en profondeur

FIN

Labour ou extraction de

la couche superficielle

Besoin de resemer ?

Energie

Métal

OUI

OUINON

NON

OUI

NON