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1 Université de Provence AIX-Marseille 1 E.S.G.B.M.A - E.S.I.L. Luminy Introduc

1 Université de Provence AIX-Marseille 1 E.S.G.B.M.A - E.S.I.L. Luminy Introduction à la bioremédiation des sols, des eaux et de l'air Pierre ROGER et Vincent JACQ Laboratoire de Microbiologie IRD Institut de Recherche pour le Développement IRD (ex ORSTOM) Dec. 2000 2 TABLE DES MATIERES 1. INTRODUCTION 5 2. DEFINITIONS 7 3. LES PRINCIPAUX POLLUANTS 9 3.1 LES POLLUANTS DANS LES MILIEUX NATURELS (NAPPES ET SOLS) 9 3.2 POLLUANTS RECALCITRANTS ET POLLUANTS BIODEGRADABLES 11 3.2.1 Biodégradabilité ou récalcitrance 11 3.2.2 Demi-vie et persistence 14 3.3 DOSES ADMISSIBLES ET NORMES 18 4. LES PRINCIPAUX TYPES DE POLLUTION 22 4.1 DEVENIR DES POLLUANTS DANS L'ENVIRONNEMENT 22 4.2 POLLUTIONS PONCTUELLES 25 4.3 POLLUTIONS DIFFUSES 26 4.4 LES SITES POLLUES 27 5. CONSEQUENCES ET MODE D'ACTION DE LA POLLUTION 30 5.1 EFFETS DIRECTS: CONTACT, INGESTION, INHALATION 30 5.2 BIOCONCENTRATION DANS LES CHAINES ALIMENTAIRES 30 6. BIODEPOLLUTION PAR LES MICROORGANISMES 33 6.1 INTRODUCTION 33 6.1.1 Spécificité et non spécificité 34 6.1.2 Adaptation microbienne à la dégradation des polluants 37 6.1.2.1 Seuils inférieur et supérieur 37 6.1.2.2 Adaptation et phase de latence 37 6.1.2.3 Synergies et dégradations successives 38 6.2 MECANISMES MICROBIENS DE LA BIODEPOLLUTION 40 6.2.1 Minéralisation 40 6.2.2 Cométabolisme 40 6.2.3 Transformations détoxifiantes 42 6.2.3.1 Hydrolyse 42 6.2.3.2 Hydroxylation 42 6.2.3.3 Déhalogénation 43 6.2.3.4 Déméthylation et autres déalkylations 44 6.2.3.5 Méthylation 45 6.2.3.6 Réduction d'une fonction NO2 45 6.2.3.7 Désamination 45 6.2.3.8 Clivage d'une liaison éther (C-O-C) 45 6.2.3.9 Conversion d'un nitrile en amide 45 6.2.3.10 Conjugation 46 6.2.3.11 Ouverture de cycles (composés benzéniques) 46 6.2.3.12 Réactions multiples 46 6.2.3.13 Transformations non détoxifiantes 46 3 6.2.4 Bioconcentration 47 6.3 PARAMETRES ENVIRONNEMENTAUX QUI AFFECTENT LA BIODEPOLLUTION 48 7. LES DIFFERENTES METHODES DE BIOREMEDIATION 54 7.1 ASPECTS MICROBIOLOGIQUES 55 7.1.1 Les deux approches possibles 55 7.1.2 Choix de la technologie à appliquer en fonction du biotope 58 7.2 ASPECTS TECHNOLOGIQUES 58 7.2.1 Généralités 58 7.2.2 Biorémédiation du sol 59 7.2.2.1 Le traitement par épandage ("landfarming") 59 7.2.2.2 Le compostage 60 7.2.2.3 Les réacteurs à boues 61 7.2.2.4 Lagunage 61 7.2.2.5 Phytoremédiation Erreur ! Signet non défini. 7.2.3 Biorémédiation des pollutions profondes: sous sol et eaux de nappe 62 7.2.3.1 Percolation et traitement in situ 62 7.2.3.2 Extraction et traitement ex-situ des polluants 63 7.2.4 Biorémédiation des effluents gazeux 64 7.2.4.1 Les absorbeurs 66 7.2.4.2 Les unités de traitement biologique: biolaveurs et biofiltres 67 7.2.4.3 Potentialités et orientations de choix 69 7.3 ETUDES DE FAISABILITE 71 7.3.1 Appréciation de la faisabilité 71 7.3.2 Changement d'échelle (Scalling-up) 73 7.3.3 Vérification de l'efficience de la méthode 73 8. EXEMPLES PRATIQUES 77 8.1 INTRODUCTION: LES SUCCES DE LA BIOREMEDIATION 77 8.2 BIOREMEDIATION DU SOL EX SITU 78 8.3 BIOREMEDIATION DU SOUS-SOL ET DES NAPPES PHREATIQUES 78 8.3.1 Biorémédiation in situ 78 8.3.2 Percolation et traitement ex-situ du percolat 79 8.4 BIOREMEDIATION DES EFFLUENTS GAZEUX 81 9. ASPECTS FINANCIERS, RENTABILITE 83 9.1 LE MARCHE DE LA DEPOLLUTION 83 9.2 LES COUT RELATIF DES METHODES 83 10. CONCLUSION: AVANTAGES, LIMITATIONS ET PERSPECTIVES 85 10.1 AVANTAGES DE LA BIOREMEDIATION 85 10.2 LIMITES TECHNIQUES 85 10.2.1 Biodégradabilité des composés et récalcitrance 85 10.2.2 Adaptabilité des souches introduites 85 10.2.3 Effets négatifs de la biotransformation 86 10.3 ASPECTS LEGAUX 86 4 10.4 PERSPECTIVES 87 11. LES ENTREPRISES DE DEPOLLUTION 88 12. POUR EN SAVOIR PLUS 89 12.1 OUVRAGES 89 12.2 ARTICLES DE VULGARISATION DANS LA PRESSE SPECIALISEE 89 13. GLOSSAIRE 90 5 1. INTRODUCTION Au cours des vingt dernières années on a assité à une augmentation spectaculaire de l'intérêt pour les mécanismes de biodégradations orientées vers la protection de l'environnement. Parmi les nombreux faits qui expliquent cette recrudescence d'intérêt pour la biodépollution, on peut citer: • la prise de conscience de l'importance de l'accumulation des pollutions domestiques (détergents), industrielles et agricoles. • le courant des idées écologiques dans les pays occidentaux, • des d'accidents écologiques spectaculaires et médiatisés, par exemple: - les naufrages du Torrey Canyon et de l'Amocco Cadiz, - l'accident de Seveso, - la pollution de la baie de Minamata, - divers rejets massifs dans des rivières, • des actes de guerre: - emploi d'agents défoliants au Vietnam - l'épandage de pétrole brut au Koweit et dans le Golfe Persique, Une impulsion importante au niveau industriel est celle de l'industrie du papier, soucieuse de se débarrasser de façon économique et efficace de la lignine éliminée au cours du blanchiment des pâtes papetières. Le traitement traditionnel, à base de chlore, engendre des composés secondaires qui constituent un risque majeur de pollution. Les études portent notamment sur: - les polluants des nappes phréatiques utilisées pour la production d'eau potable - la biodégradation des organochlorés - les rejets métalliques (mercure, cadmium, cuivre,...) Dans les milieux agricoles, une attention particulère est portée au développement durable et à la nécessité d'utiliser des pratiques culturales n'ayant pas d'effets défavorables à court et à long terme sur l'environnement. On s'intéresse aux conséquences de l'utilisation incontrolée des engrais azotés et des pesticides, spécialement les organophosphorés et les organochlorés. L'évolution des législations exerce une pression salutaire sous forme de surveillance de l'air et des eaux, et d'interdictions portant sur la fabrication ou la diffusion de produits considérés comme dangereux. La biodépollution est une technique ancienne qui a été abondamment utilisée dans des systèmes clos tels que les bassins de décantation, les systèmes de dépollution aérobie des eaux usées ou les digesteurs anaérobies. Par contre la biorémédiation, qui est l'utilisation volontaire de la biodépollution pour émiminer les agents polluants du sol, du sous-sol, des nappes phréatiques et de l'air, est une technique récente qui nécessite une approche multidisciplinaire en raison de la complexité des agents polluants et des milieux à traiter. Contrairement aux systèmes de traitements de déchets urbains et d'eaux industrielles ou agro-industrilles qui portent sur des milieux monophasiques homogénéisés et de composition connue, la biorémédiation s'adresse à des milieux hétérogénes, souvent polyphasiques, dans lesquels les polluants sont distribués également de façon très hétérogène. La mise au point de processus de bioremédiation demande alors les compétences conjointes d'ingénieurs, de microbiologistes, de géologues, d'hydrologues, d'écologistes et de chimistes. On distigue deux grands types de méthodes de bioremédiation. Les méthodes ex-situ nécessitent l'extraction du matériel contaminé pour son traitement dans un dispositif spécifique, si possible installé sur ou à proximité du site d'extraction. Les méthodes in situ traitent sur place le matériel contaminé. Les techniques les plus communes sont définies au chapitre suivant sous la rubrique "Bioremédiation". 6 Ce cours est une introduction à la bioremédiation des sols, du sous-sol et des nappes phréatiques. Il aborde tout d'abord les aspects fondamentaux de la bioremédiation, puis fait l'inventaire des différents procédés théoriquement utilisables. Il donne ensuite des exemples de bioremédiations effectivement utilisées. La conclusion considère les limitations et les perspectives des méthodes de bioremédiation. 7 2. DEFINITIONS Pollution: Définition simplifiée: introduction dans un milieu de substances ou d'énergie susceptibles d'avoir des effets indésirables ou toxiques sur l'homme et son environnement. Toutefois, le terme de pollution recouvre des acceptions fort diverses et qualifie une multitude d'actions qui dégradent le milieu naturel. Il désigne les effets des composés toxiques rejetés par l'homme dans l'environnement, mais s'applique également à d'autres altérations du milieu de nature physique ou chimique (émission de gaz carbonique dans l'atmosphère par exemple) qui, sans être nocives par elles-mêmes pour la santé humaine, sont susceptibles de provoquer des perturbations écologiques d'ampleur catastrophique. Parmi les nombreuses définitions de la pollution ont peut retenir celle de l'EPA (Environment Protection Agency, USA): La pollution est une modification défavorable du milieu naturel qui apparaît en totalité ou en partie comme le sous-produit de l'action humaine, au travers d'effets directs ou indirects altérant les modalités de répartition des flux d'énergie, des niveaux de radiation, de la constitution physico- chimique du milieu naturel et de l'abondance des espèces vivantes. Ces modifications peuvent affecter l'homme directement ou au travers des ressources en produits agricoles, en eau et autres produits biologiques. Elles peuvent aussi l'affecter en altérant les objets physiques qu'il détient, les possibilités créatrices du milieu ou encore en enlaidissant la nature. D'autres définitions, plus restrictives, limitent l'usage du terme de pollution au rejet de produits chimiques ou radioactifs dans l'environnement et désignent sous le vocable général de "nuisance" les autres altérations du milieu ambiant provoquées par l'homme (on parlera alors, par exemple, de nuisance sonore ou de nuisance esthétique...). Dépollution: élimination ou inactivation spontanée ou intentionnelle d'un polluant par des agents physiques, chimiques ou biologiques. Biodégradation: décomposition partielle ou totale d'un produit par un agent biologique. Le terme de biodégradation sous-entend l'élimination complète d'un composé avec comme seuls rejets des produits simples tels que H2O, CO2, CH4, H2, chlorure (pour un organochloré), ou encore de l'acétate, des produits de fermentation. Elle est souvent mise en évidence par l'emploi de molécules marquées par le 14C et la production de gaz carbonique radioactif. On parle de minéralisation du produit si l'étape ultime est la formation de CO2. Cette notion implique généralement qu'une partie du substrat a été assimilée par l'organisme concerné, ce qui est évident lorsque ce substrat est la seule source de carbone dans le milieu. Biodépollution: dépollution biologique spontanée ou mise uploads/Industriel/ bio-de-pollution.pdf