Projet de microbiologie

appliquée
EXTRACTION DE POLLUANTS SPÉCIFIQUES :
BIOREMÉDIATION
RÉALISÉ PAR : BENBAKHADDA YOUSSEF
ECOLE MOHAMMADIA D’INGENIEURS
SOMMAIRE :
1 Introduction : ......................................................................................................................................... 3
2 GENERALITES : ....................................................................................................................................... 4
2.1 Notion de bioremédiation et principe :......................................................................................... 4
2.2 Quelques origines de la pollution :................................................................................................ 5
2.3 Les microorganismes utilisés en bioremédiation : ........................................................................ 6
3 Concepts technologiques de bioremédiation : ..................................................................................... 7
3.1 Bio augmentation : ........................................................................................................................ 7
3.1.1 Principe : ................................................................................................................................ 7
3.1.2 Maturité du procédé : ........................................................................................................... 7
3.2 Biofiltration :.................................................................................................................................. 8
3.2.1 Définition : ............................................................................................................................. 8
3.2.2 Processus de l’opération : ..................................................................................................... 8
3.3 Biostimulation : ............................................................................................................................. 9
3.3.1 Principe : ................................................................................................................................ 9
3.3.2 Le Co-métabolisme et la biostimulation : ........................................................................... 10
3.4 Compostage : ............................................................................................................................... 10
3.4.1 Principe : .............................................................................................................................. 10
3.4.2 Les micro-organismes du compost : .................................................................................... 10
3.4.3 Efficacité des composts sur la biologie des sols : ................................................................ 11
3.4.3.1 L’effet de l’ajout de compost au sol : .............................................................................. 11
3.4.3.2 Type de polluant traité : .................................................................................................. 11
3.5 Biolixiviation : .............................................................................................................................. 12
3.5.1 Principe : .............................................................................................................................. 12
3.5.2 Procédés : ............................................................................................................................ 12
3.6 Phytoremédiation :...................................................................................................................... 13
3.6.1 Définition : ........................................................................................................................... 13
3.6.2 Phytoextraction : ................................................................................................................. 14
3.6.2.1 Principe : .......................................................................................................................... 14
3.6.2.2 Type de phytoextraction : ............................................................................................... 14
3.6.3 La phytovolatilisation : ........................................................................................................ 15
3.6.3.1 Principe : .......................................................................................................................... 15
3.6.3.2 Exemples types de phytovolatilisation : .......................................................................... 15

1
 3.6.4 Phytostabilisation : .............................................................................................................. 16
3.6.5 Phytodégradation : .............................................................................................................. 16
3.6.6 Rhizofiltration : ................................................................................................................... 17
3.6.6.1 Principe : .......................................................................................................................... 17
3.6.6.2 Valorisation de la rhizofiltration : .................................................................................... 18
4 Traitement biologique mis en œuvre : ................................................................................................ 18
4.1 Traitement in situ : ...................................................................................................................... 18
4.1.1 Bioventing : .......................................................................................................................... 18
4.2 Traitement ex situ : ..................................................................................................................... 19
4.2.1 Biotertre : ............................................................................................................................ 19
4.2.1.1 Principe : .......................................................................................................................... 19
4.2.1.2 Pratique technique : ........................................................................................................ 19
4.2.1.3 Type de polluants traité :................................................................................................. 20
5 Conclusion : ......................................................................................................................................... 21
6 Bibliographie :...................................................................................................................................... 22

2
1 Introduction :

La capacité des micro-organismes à transformer les contaminants environnementaux en produits

inoffensifs pour l'homme et l'environnement fait l'objet d'investigations en laboratoire depuis la 60 ans.
Depuis le début des années 80, les techniques de remédiation biotechnologique pour le traitement des
sols, l'eau souterraine et l'air ont été développés et appliqués sur cette base.

Partant des attentes élevées quant à l'efficacité des techniques microbiologiques, il faut dire que de
nombreux facteurs limitatifs limitent leur applicabilité bien que d’autres techniques aient été
développées pour dégrader des groupes de contaminants considérés jusqu'à présent comme persistants.
À l'heure actuelle, nous pouvons soutenir le fait que tous les contaminants organiques sont, en principe,
dégradables. Cependant, dans la nature, de nombreux facteurs entraînent une limitation de la
dégradation de substances étrangères spécifiques (xénobiotiques) introduits dans le sol et les eaux
souterraines par l'homme dans le passé et actuellement sont, avec l'intervention de l'homme, souvent
non réduite ou seulement réduite en périodes géogéniques, provoquant une contamination soutenue
des sites respectifs.

Les techniques microbiologiques peuvent présenter des avantages économiques et écologiques élevés
par rapport avec d'autres techniques. Leur objectif principal est de créer des conditions de base
optimales pour la dégradation des contaminants. Pour atteindre cet objectif, la connaissance des
différentes réactions de dégradation, des modes de dégradation et des facteurs d'influence est d'une
importance fondamentale.

Le présent travail est un aperçu sur quelques biotechniques de remédiation et leurs possibilités
d'application, offrant ainsi une approche comparative et explicative de leurs propriétés.

3
2 GENERALITES :
2.1 Notion de
bioremédiation et
principe :
La bioremédiation est tout processus
faisant emploi de procédés biologiques
pour éliminer les polluants (industriels) qui
contaminent le cycle biogéochimique des
substances naturelles.

La bioremédiation consiste à utiliser des

systèmes biologiques pour réduire le
niveau de pollution présents dans l’air,
l’eau ou le sol. Ce sont des
microorganismes (bactéries, microbes) ou
des plantes qui sont responsables de la
biodégradation du milieu. Pour assurer leur
croissance et/ou leurs besoins en énergie,
les microorganismes peuvent utiliser en les
dégradant, la plupart des substances
chimiques. Ces processus de dégradation biologique peuvent exiger la présence de l’air, ou non. Dans
certains cas, les voies métaboliques que les organismes utilisent pour s’accroître ou pour obtenir de
l’énergie peuvent aussi utiliser des molécules de substances polluantes. Complète, une biodégradation
parvient à détoxiquer des polluants jusqu’au au stade du dioxyde de carbone, de l’eau et des sels
minéraux inoffensifs. Une biodégradation incomplète peut fournir des produits de dégradation moins
toxiques que le polluant initial, mais pas forcément. Par exemple, la biodégradation du trichloré- ou du
tétrachloro-éthylène peut libérer du chlorure de vinyle qui est plus toxique et plus cancérogène que les
composés initiaux.

Le phénomène de biodégradation peut apparaître spontanément ; on utilise alors les termes de

bioremédiation intrinsèque ou bioatténuation. Cependant, très souvent, les conditions naturelles ne
sont pas suffisamment favorables, par manque d’éléments nutritifs, d’oxygène ou de bactéries
appropriées. On peut améliorer ce genre de situations en complétant l’un ou l’autre des facteurs
nécessaires ou même plusieurs (potentiel oxydoréduction, humidité). Dans le domaine de la
bioremédiation, on aura de plus en plus tendance à observer la vitesse de la biodégradation naturelle et
à intervenir seulement si l’activité naturelle ne suffit pas pour éliminer assez rapidement le polluant.

La phytoremédiation, étant une sous-technique de la bioremédiation, repose sur l’utilisation des plantes
pour l’extraction des produits toxiques à partir du sol, des sédiments et de l’eau contaminés plus
particulièrement par les métaux lourds mais aussi par des contaminants organiques tels que les solvants
et les hydrocarbures poly aromatiques (HAP). Certaines plantes peuvent absorber et dégrader les
produits pétroliers et les composés chlorés. Les faibles coûts associés à la technologie de
phytoremédiation, ainsi que la possibilité de recyclage de certains métaux expliquent l’intérêt

4
grandissant pour son développement.

2.2 Quelques origines de la pollution :

• Production d’énergie à partir des combustibles fossiles, du gaz naturel, du bois, incinération des
déchets implique consommation d’oxygène, dégagement de divers oxydes de carbone, de
soufre et d’azote et d’hydrocarbures et formation d’ozone (O3).
• Rejet des sous-produits gazeux de l’industrie chimique, de poussières de certaines installations
métallurgiques et les cimenteries industrielles. Les fermentations de matière organiques peuvent
également dégager des gaz riches en hydrogène sulfuré et autres composés soufrés. Les
fermentations anaérobies durant le stockage de déchets organiques produisent du méthane.
• Atmosphère : le gaz carbonique ou l’ozone (O3), soit de l’introduction de composés étrangers à
ce milieu (radioéléments, métaux lourds et composés organiques volatils), soit d’une
conjugaison de ces deux phénomènes.
• La pollution urbaine due aux dioxydes de soufre (SO2), monoxyde de carbone (CO), les oxydes
d’azote (NOx), l’ozone et les particules en suspension. Les hydrocarbures aromatiques
monocycliques, les hydrocarbures aromatiques polycycliques et les aldéhydes sont des
composés organiques volatils qui ont des conséquences néfastes sur la santé.
• Pollution des sols : les engrais chimiques perturbent le flux d’énergie et le cycle de la matière
dans les agroécosystèmes. Le nitrate d’ammonium, le nitrate de calcium, le sulfate
d’ammonium, l’urée, les phosphates et le chlorure de potassium sont les engrais chimiques les
plus utilisés. L’utilisation massive d’engrais azotés s’accompagne également d’un rejet important
de monoxyde d’azote (NO) dans l’atmosphère, lequel contribue à la destruction de couche
d’ozone et à l’aggravation de l’effet de serre.
• Pour des raisons économiques les phosphates ne sont pas purifiés. Ils renferment ainsi, à l’état
de traces, de nombreux métaux et métalloïdes toxiques. A cet apport de métaux lourds par la
fumure, il faut ajouter ceux qui résultent des pulvérisations des pesticides (sels de cuivre,
arséniates de plomb) et des retombées atmosphériques (plomb, cadmium, molybdène etc.…)
Chaque année, plus de 4 millions de tonnes de pétrole sont répandus accidentellement dans les
océans et sur les côtes. A ces hydrocarbures s’ajoutent de nombreux autres polluants d’origine
urbaine, agricole et industrielle véhiculés par les rivières ou émanant de retombées
atmosphériques : polychlorobiphényles, hydrocarbures aromatiques polycycliques, herbicides et
insecticides, nitrates et phosphates, métaux lourds (cadmium, mercure, plomb, nickel)
radionucléides (strontium et uranium).

5
 Schéma des transferts et transformation des composés chimiques dans
l'environnement.

2.3 Les microorganismes utilisés en bioremédiation :

Ils proviennent de milieux très variés et peuvent vivre dans des conditions extrêmes : des températures
en dessous de 0°C ou au contraire, très élevées, dans des milieux inondés ou en plein désert, en
présence d’un excès d’oxygène ou milieu anaérobie. En raison de leur pouvoir d’adaptation, ces
microorganismes sont utilisés pour éliminer les composés xénobiotiques. Parmi les bactéries aérobies
reconnues pour leur pouvoir de dégradation, nous pouvons citer celles appartenant aux genres
Pseudomonas, Alcaligènes, Sphingomonas et Mycobacterium. Elles peuvent dégrader les pesticides, les
hydrocarbures, les alcanes et les composés polyaromatiques. Souvent, elles utilisent le polluant comme

6
source de carbone et d’énergie. Les bactéries anaérobies sont moins fréquentes que les aérobies.
Cependant, elles présentent un grand intérêt dans la bioremédiation des polyphényls polychlorés, du
trichloroéthylène (TCE) et le 1,2 dichloroéthane (DCA). Dans tous les cas, l’opération implique le contrôle
non seulement de la disponibilité des dépollueurs mais aussi l’ajustement en permanence des conditions
de leur efficacité : quantité et type de nutriments, concentration en oxygène, pH, température et
salinité.

3 Concepts technologiques de bioremédiation :

La bioremédiation est une option qui offre la possibilité de détruire ou de rendre moins toxiques les
polluants (les composés xénobiotiques), en utilisant la capacité naturelle que possèdent de nombreux
organismes, la plupart des temps microscopiques (bactéries, microalgues, champignons), à dégrader les
polluants en composés inertes. Ses principales technologies sont :

3.1 Bio augmentation :

3.1.1 Principe :
Technique d’augmentation de la vitesse de biodégradation des contaminants organiques par ajout de
microorganismes dans la zone polluée. Ces microorganismes peuvent être exogènes (étrangers) ou
indigènes. Dans le second cas, ils sont extraits du milieu contaminé, acclimatés au contaminant, cultivés
ex situ puis réinjectés. Pour que l’ajout de de microorganismes soit efficace, il faut s’assurer :

• Du transport des microorganismes jusqu’à la zone contaminée

• De la fixation des microorganismes aux matériaux du sol ou au milieu aquifère
• De la survie et de la croissance des microorganismes ainsi que de leur activité dégradante
satisfaisante

Parmi les paramètres influençant, on trouve :

• Les propriétés du contaminent (biodisponibilité, concentration, toxicité pour les

microorganismes dégradants)
• Les propriétés du sol (taux d’humidité, taux de matière organique, pH, capacité d’échange
cationique)
• L’écosystème microbiologique (présence de prédateurs, compétition inter espèces)
• Microbiologie (présence des cosubstrats, patrimoine génétique des souches présentes,
stabilité et activité des enzymes)

3.1.2 Maturité du procédé :

Le procédé de bioaugmentation est applicable à tout contaminant pouvant être biodégradable par des
microorganismes indigènes ou/et ajoutés.

Les études menées dans ce domaine sont assez restreintes et se limitent à des cas précis relativement à
la situation particulière dont ce procédé s’est avéré fructueusement réalisable. Il est donc difficile de

7
généraliser ces études sur d’autres sites ou de concevoir des systèmes performants adaptables à
plusieurs types de sols…

Le procédé est soutenu par des essais de modification génétique visant à améliorer l’efficacité des
microorganismes bio dégradants et leur compétence à dépolluer des contaminants spécifiques.

3.2 Biofiltration :
3.2.1 Définition :
Procédé qui consiste à utiliser un biofiltre pour traiter les émissions gazeuses : l’air contaminé est mis en
contact avec une phase aqueuse dans laquelle se développe la biomasse à travers l’oxydation
biochimique, généralement, des composants organiques volatils (COV) ou halogénés, des hydrocarbures
aromatiques monocycliques (HAM) ou polycycliques (HAP) et de certains alcools se trouvant dans le flux
d’air pollué. Ainsi les substances indésirables ne sont pas simplement confinées mais biodégradées,
transformées en d’autres substances non nocives grâce à la digestion bactérienne.

La biofiltration d’effluents gazeux constitue une nouvelle technologie efficace et économique (coût de
maintien, renouvellement ou élimination de la biomasse filtrante est très bas). Elle offre un fort potentiel
d’application pour les stations d’épuration des eaux, les sites de traitement des sols, les centres de
compostage et les industries agroalimentaires, chimiques, pharmaceutiques et papetières.

3.2.2 Processus de l’opération :

Dans une unité de biofiltration, l’air à épurer subit une étape de préparation incluant l’humidification,
le refroidissement et/ou le dépoussiérage afin de supprimer les particules (poussières, graisses)
présentes dans le gaz et d’amener le niveau d’humidité à 100%. L’air est ensuite introduit dans un
réacteur (une cuve) contenant un
garnissage formé de matériaux très
poreux (très avide pour l’humidité).
A la surface des particules qui
constituent le garnissage se trouve
un biofilm qui correspond à une
pellicule d’eau contenant la flore
microbienne dont la fonction est de
dégrader les contaminants présents
dans l’air à traiter. Des nutriments
peuvent être ajoutés dans le but de
favoriser la croissance de la flore
microbienne, et le niveau du pH doit
être contrôlé. Les extrants du
procédé sont du gaz carbonique
(CO2), des vapeurs d’eau (H2O) ainsi
qu’une fraction résiduelle des Représentation schématique d'un biofiltre
contaminants visés, variant en
fonction du taux d’enlèvement atteint.

8
Les performances du procédé dépendent du type de contaminants et des concentrations à traiter ainsi
que des critères de conception du biofiltre (ex. : nature du lit filtrant, composition en microorganismes et
conditions physico-chimiques). Si les critères de conception sont respectés, le taux d’enlèvement des
BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylène) peut aller jusqu’à 90 % à 99 %. Le taux d’enlèvement
des HAP volatils se situe entre 75 % et 90 % pour la plupart des biofiltres commercialisés.

3.3 Biostimulation :
3.3.1 Principe :
Concept consistant à stimuler l’activité des populations microbiennes indigènes par apport de
nutriments et par ajustement des conditions du milieu (potentiel d’oxydo-réduction, humidité) tout en
optimisant les performances des voies de biodégradation en termes de coût, cinétique et rendement.
Cet apport de nutriment au milieu favorise la croissance des microorganismes et augmente leur capacité
de dépollution du système.
Principe de la biostimulation :

Par exemple, l’ajout d’amendements minéraux à un sol contaminé artificiellement par des
hydrocarbures à 30mg.kg-1 a permis d’atteindre 93% de dégradation en 4 semaines, contre 7% dans le
même temps pour la modalité témoin (non biostimulée) (Ayotamuno et coll. 2009) ; et 97% de lindane
(insecticide) à 75µg.kg-1 et 280µg.kg-1 ont été dissipés en 240 jours dans un sol après ajout de
nutriments, contre 20% dans le même temps pour la modalité non biostimulée (Dadhwal et coll. 2009).
L’ajout de nutriments dans une aquifère contaminée par des solvants chlorés à des concentrations
variant entre 0,5 et 10mg/L a généré une dégradation de ces composés avec une durée de 1/2 vie de
l’ordre de 15 jours en biodégradation aérobie par injection d’oxygène (Devlin et coll. 2004)

Toutefois, l’un des inconvénients de la biostimulation vient de la stimulation non spécifique qui favorise
tous les microorganismes sans viser particulièrement ceux performants pour la dépollution, voire
favorise des organismes inadaptés à l’objectif du traitement.

9
 3.3.2 Le Co-métabolisme et la biostimulation :
Le Co-métabolisme correspond à la dégradation biologique d’un composé par une enzyme produite de
manière fortuite. Cette enzyme catalyse normalement un autre substrat mais elle peut présenter une
certaine non-spécificité de substrat. Par principe, le phénomène de Co-métabolisme ne bénéficie pas aux
microorganismes produisant l’enzyme. Le polluant n’est qu’une source de substrat secondaire. Ainsi les
produits de dégradation liés au Co-métabolisme ne stimulent pas la croissance bactérienne des
populations concernées. La dégradation est alors lente. La source additionnelle de nutriments sera
utilisée pour la croissance microbienne et les enzymes non spécifiques (principalement synthétisées pour
la détoxification cellulaire) pourront dégrader fortuitement et partiellement les polluants.

3.4 Compostage :
3.4.1 Principe :
Technique qui consiste à homogénéiser les terres polluées par
ajout de matière organique naturelle (compost). Le compost
agit sur la biostimulation (apport de nutriment de carbone et
d’azote), la bioaugmentation (apport de bactéries) et aération
(apport d’agent structurants et d’éléments rigides
augmentant la porosité). Optimiser le choix du compost pour
la dépollution biologique du sol dépend de plusieurs
paramètres :

• Concentration en oxygène (condition d’aérobie ou

d’anaérobie)
• Gamme de pH et taux d’humidité optimaux
• Température optimale selon les microorganismes du
compost (thermophiles mésophiles) d’où le contrôle de la biodégradation exothermique.

3.4.2 Les micro-organismes du compost :

Les différents groupes :

- Les bactéries : Elles sont toujours présentes (800 à 1000 espèces minimum) dans les composts et
dominantes en qualité et quantité. Elles sont en forte croissance si le taux carbone/azote (C/N) est faible
et l’humidité élevée. Du fait de l’évolution des conditions du milieu, la population bactérienne change au
cours du compostage. Avec une élévation des températures, seules les bactéries thermophiles se
développent, et à l’inverse lorsque la température baisse, ce sont les bactéries mésophiles qui colonisent
le compost. Pendant la maturation des bactéries endogènes et exogènes (qui proviennent de
l’environnement de la plate-forme) envahissent le compost et se développent en compétition les unes
avec les autres. En théorie, cette compétition empêche le développement de bactéries pathogènes
exogènes.

- Les algues : Ce sont des organismes chlorophylliens qui se cantonnent en surface dans les dix premiers
centimètres de la couche superficielle du sol et subsistent sur les sels minéraux. Ils préfèrent un milieu

10
neutre ou légèrement alcalin. En absence de lumière, certaines espèces peuvent se nourrir de matière
organique.

- Les cyanophycées : Ils font partie de la famille des algues. Leur abondance coïncide avec une activité
proche des bactéries. Elles sont fixatrices de l’azote atmosphérique et sont aérobies.

- Les champignons : Il existe plusieurs dizaines de milliers d’espèces. Ils sont dominants si le C/N est haut
et provoquent la dégradation des celluloses et lignines. Ils sont capables de croître avec des taux
d’humidité plus faibles que pour les bactéries et tolèrent un spectre large d’acidité.

- Les actinomycètes : Ils attaquent les substances non dégradées par les bactéries et champignons.
Neutrophiles, ils tolèrent une acidité légèrement basique et sont peu compétitifs vis-à-vis des autres
groupes. Ils se développent dans des phases finales de maturation. Les genres « Streptomyces et
Nocardia » représentent 90% de leur biomasse. Ils ont une densité 3 à 15 fois plus faible que les
bactéries. Beaucoup d’odeurs aromatiques des sols ou composts mûrs sont dus aux actinomycètes.

- Les protozoaires : C’est un grand groupe d’unicellulaires mobiles. Ils réclament un milieu humide (eau
interstitielle) et sont plus petits dans les composts que dans les eaux par manque d’espace vital. Ils sont
grands consommateurs de bactéries (plusieurs dizaines de milliers dans la vie d’une cellule). Leur rôle
écologique est mal connu.

3.4.3 Efficacité des composts sur la biologie des sols :

3.4.3.1 L’effet de l’ajout de compost au sol :
Le compost livre aux microorganismes telluriques du substrat sur lesquels certains peuvent se
développer (apport nutritif/fertilisant). Plus le compost est jeune, plus cet effet est important, les
substances facilement dégradables y étant en plus grandes quantités. De plus, l’activité et l’équilibre
microbien du sol peut être influencés par les microorganismes apportés par le compost. Si le compost a
été produit selon les règles de l’art, sa microflore est bénéfique, Les agents pathogènes sont en effet
dégradés pendant la phase thermophile du processus tandis que des agents antagonistes se développent
pendant la phase de maturation.

En gros, l’ajout de compost peut être considéré comme :

• Une biostimulation : apport de nutriments ;

• Une bioaugmentation : apport de bactéries présentes en nombre élevé dans le compost ;
• Une amélioration de la structure du sol grâce aux divers éléments plus ou moins rigides
contenus dans le compost. L’aération est donc améliorée et l’activité des micro-organismes
aérobies est favorisée.

Outre l’apport et la stimulation de la microflore, le compost joue vraisemblablement un rôle au niveau

des mécanismes de Co-métabolisme de la biodisponibilité du polluant.

3.4.3.2 Type de polluant traité :

L’ajout de compost a donné de bons rendements sur des terres contaminées par gasoil, fuel, huiles,
graisses, hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), polychlorobiphényles (PCB),
polychlorophénols (PCP), chlorobenzène, trinitrotoluène (TNT), Royal demolition explosives (RDX) et
autres explosifs. Les performances dépendent fortement de la nature de la pollution, du type de sol à
traiter et du compost utilisé.

11
 3.5 Biolixiviation :
3.5.1 Principe :
Procédé de dépollution par extraction des métaux (or, cuivre, nickel, zinc, cobalt, fer, plomb, uranium,
plutonium…) grâce à des micro-organismes, s'appliquant à des réserves de minerai (sols ou milieu
aquatique en contact avec des roches suffisamment riches en minéraux). Il nécessite de grandes
quantités d’eau, que l’on rend généralement acide et des micro-organismes préalablement sélectionnés
(bactéries, archées ou champignons) qui vont faire le travail d’extraction des minéraux intéressants sous
forme soluble ou précipité. Avec l’expérience, on a su optimiser la température, l’acidité, la vitesse de
mélange, les apports en oxygène, en dioxyde de carbone ou en sucres pour que les microorganismes
gagnent en productivité.

3.5.2 Procédés :
La technique de biolixiviation repose sur plusieurs procédés méthodologiques visant à récupérer les
minerais sous forme dissoute. Ces procédés se divisent en procédés dynamiques et d’autres statiques.

À l’échelle industrielle les procédés dynamiques sont les seuls applicables. Le minerai préalablement
broyé et mélangé à la solution bactérienne, est mis sous agitation dans un réacteur, afin de faciliter les
échanges gaz/liquide/solide. Trois types de dispositifs sont utilisés :

• Le RPA (réacteur parfaitement agité) : Il s’agit d’un bioréacteur mis sous agitation mécanique :
Exemple de biolixiviation par agitation en bioréacteur :
La biolixiviation permet
l’extraction biologique
du plomb insoluble
grâce à l’action des
microorganismes
(bactéries Thio
Bacillus, champignons
microscopiques
Aspergillus,
Penicillium) du sol qui
solubilisent les
polluants dans l’eau.
Les terres polluées
sont excavées et mises
en pulpe (entre 1 et 20
grammes de solide
pour 100 ml de milieu)
dans des réacteurs
étanches aérobie ou anaérobie, la pulpe mélangée dans l’eau de ville est additionnée de
nutriments (une source de carbone et d’énergie (glucose), azote, phosphore, magnésium,
potassium...) et éventuellement d’un agent chélatant (EDTA). Le pH est rendu acide, la
température d’incubation est réglée à 28-30 °C, le bioréacteur est agité de façon continue ou

12
 discontinue. Le traitement est suivi d’une séparation liquide/solide, puis du traitement de la
phase liquide pour élimination des métaux dissous.

• Le réacteur « air-lift », formé de deux compartiments communiquant, permet de créer des

mouvements de fluide, grâce à l’aération d’un seul compartiment.
• Enfin, la « colonne à bulles » est un réacteur en forme de tube dans lequel le gaz est introduit
par un distributeur. Le liquide est ensuite pompé vers le haut à la différence des réacteurs air-lift

3.6 Phytoremédiation :
3.6.1 Définition :
La phytoremédiation est définie comme l’utilisation des plantes pour éliminer ou transformer les
polluants en composés moins toxiques. Elle peut être utilisée aussi bien contre les polluants organiques
que les polluants inorganiques présents dans les milieux solides (sols), liquides (eaux de surface et
souterraines) et gazeux. La phytoremédiation regroupe :

➢ La phytoextraction : utilisation des plantes pour extraire du sol les polluants organiques et les
métaux et les concentrer dans les organes de la plante destinés à la récolte,
➢ La rhizofiltration : correspond à l’utilisation des racines pour absorber et accumuler les
polluants (métaux) des eaux usées,
➢ La phytostabilisation : utilisation des plantes pour limiter l’érosion et immobiliser les polluants
dans les couches superficielles par absorption, précipitation et maintien physique (confinement)
pour ainsi prévenir leur migration vers les eaux de surface et souterraines. La stabilisation a lieu
principalement dans les racines et les zones périphériques des racines. Cette technologie est
essentiellement conçue pour la réhabilitation de sites présentant des problématiques de
réenvols de sols de subsurface (terrils, sols nus …)
➢ La phytovolatilisation : utilisation des plantes pour extraire les polluants du sol et les
transformer en composés volatils par transpiration
➢ La phytodégradation : dépollution organique des sols à travers l’absorption racinaire des
contaminants vers l’intérieur de la plante où ils subissent une dégradation métabolique
enzymatique liée au cycle biochimique naturel de la plante. Cette dégradation peut avoir lieu au
dehors de la plante via la production d’enzymes extra-racinaires (exsudats).

13
 3.6.2 Phytoextraction :
3.6.2.1 Principe :
La phytoextraction utilise des plantes capables de prélever les éléments traces toxiques et de les
accumuler dans les parties aériennes qui seront ensuite récoltées puis incinérées. Les cendres seraient
alors mises en décharges ou mieux réutilisées en métallurgie. La phytoextraction est de plus
fréquemment assistée par des chélateurs de métaux. Cette méthode est désignée également par la
phytoextraction induite mais d’autre part, on trouve aussi la phytoextraction continue. Parmi ces deux
procédés la phytoextraction assistée est la plus développée pour la dépollution des métaux lourds (Zinc,
Cadmium, nickel) et des métalloïdes (Sélénium, Arsenic).

3.6.2.2 Type de phytoextraction :

Phytoextraction assistée : La stimulation de l’accumulation du métal est directement reliée à l’affinité du
chélateur pour le métal et suggère que, pour obtenir une phytoextraction, un chélateur synthétique
ayant une grande affinité pour le métal à extraire doit être utilisé. Sur la base de cette information, un
protocole pour la phytoextraction assistée par des chélateurs a été récemment proposé :

• Le site contaminé est évalué et une étude préliminaire permet de déterminer la combinaison
appropriée chélateur / plante,
• Le site est préparé et les plantes sont cultivées,
• Une fois que la production de biomasse est optimale, le chélateur approprié est appliqué,
• Après une période d’accumulation pouvant s’étendre sur une période allant de quelques
jours à quelques semaines, la récolte est réalisée.

La phytoextraction assistée est basée sur trois principes :

• Augmenter la concentration du métal dans la solution du sol,

• Augmenter l’absorption et le transport de ce métal vers la partie aérienne de la plante, qui est
plus facile à récolter.
• La forte affinité du chélateur utilisé.

Phytoextraction continue : processus physiologiques particuliers qui permettent aux plantes

d’accumuler les métaux durant toute la période de leur croissance.

Contrairement à l’absorption assistée par des chélateurs, la phytoextraction continue est basée sur les
capacités génétiques et physiologiques des plantes spécialisées dans l’absorption, la translocation et la
tolérance des métaux. Les inconvénients majeurs de l’utilisation de ces plantes dans la phytoremédiation
sont représentés par une faible production de biomasse et une croissance beaucoup trop lente. A cela
s’ajoute l’inexistence de plantes hyperaccumulatrices de métaux fortement impliqués dans la pollution
de l’environnement (plomb, cadmium, arsenic). Cependant, une recherche approfondie sur les
mécanismes biologiques des plantes hyper accumulatrices pourrait contribuer au développement
génétique des plantes supérieures pour la phytoremédiation des métaux.

14
 3.6.3 La phytovolatilisation :
3.6.3.1 Principe :

Processus qui consiste à utiliser les plantes (métabolisme) pour volatiliser des polluants métalliques
(arsenic, mercure et sélénium) ou organiques (solvants comme TCE ou trichloréthylène) absorbé grâce
aux phénomènes d’évapotranspiration. La phytovolatilisation présente l’avantage de ne pas nécessiter
de récolte de la biomasse puisque les contaminants sont dispersés dans l’atmosphère.

3.6.3.2 Exemples types de phytovolatilisation :

• La volatilisation du
sélénium à partir des
tissus de la plante
constitue un mécanisme
de détoxication de cet
élément. Le sélénium est
volatilisé par les plantes
hyperaccumulatrices,
comme par exemple
Astragalus racemosus,
sous la forme de
diméthyldisélénite alors
que chez la luzerne, une
plante non accumulatrice
de sélénium, cette
volatilisation se fait sous
forme de
diméthylsélénite. Ces
deux composés volatils ne
sont pas toxiques et ont
l’odeur de l’ail.

• La volatilisation de
l’arsenic sous forme de
diméthylarsenite a été
également proposée
comme étant un Phytovolatilisation du Sélénium
mécanisme de résistance
chez les algues marines. Accumulé dans les racines et d’une très faible quantité, il est transporté
vers la partie aérienne. Les plantes peuvent, cependant, stimuler la biodégradation au niveau de
la rhizosphère et contribuer indirectement à l’augmentation de la volatilisation de l’arsenic.

15
Enfin, des manipulations génétiques ont permis l’augmentation de la phytovolatilisation chez les plantes.
Par exemple : Par transgénèse, des gènes d’autres organismes, en particulier de micro-organismes ont
été transférés à des végétaux pour leur permettre de rendre volatils des contaminants (exemple :
peupliers transformés volatilisant le mercure de sites contaminés).

3.6.4 Phytostabilisation :
Procédé qui consiste à utilise les plantes pour immobiliser les métaux lourds (As, Pb, Cd, Cr, Cu, Zn) dans
les sols pollués et éviter
ainsi la contamination
des eaux de
ruissellement ou
souterraines, qui pourrait
avoir lieu suite à
l’infiltration des eaux de
pluie. Ces plantes sont
capables de sécréter des
substances qui stabilisent
chimiquement les
métaux lourds au niveau
de la rhizosphère sous
forme complexe moins
toxique. Le principe peut
consister à mettre en
œuvre à la fois un
amendement bloquant la
disponibilité des métaux et une végétation sous forme de pelouse ou de taillis tolérants aux métaux. Les
polluants sont toujours présents, mais inactivés et non lixiviables.

3.6.5 Phytodégradation :
La phytodégradation consiste à éliminer les composés organiques présents dans certains sols à la suite
d’une activité humaine. De ce fait, la plante métabolise le contaminant dans ses tissus ou à l’extérieur de
ceux-ci grâce à des enzymes qu’elle sécrète. Les plantes concernées favorisent l’activité des
microorganismes dépolluants ou éliminent-elles même les composés organiques. La plante de maïs par
exemple est ainsi capable de dégrader les hydrocarbures dans sa rhizosphère ; le cotonnier permet la
dégradation de l’atrazine, du tétrachlorure de carbone (CCl4). Les racines de la plante produisent et
excrètent des composés (ex. : sucres, acides aminés, acides organiques, acides gras, facteurs de
croissance, etc.) qui favorisent la croissance microbienne et peuvent stimuler le taux de biodégradation
des composés organiques à la périphérie de ces dernières. Lors de leur croissance, les racines créent
aussi des chemins préférentiels favorisant ainsi l’aération des sols à proximité des racines, leur
élongation permet de vérifier la toxicité des contaminants solubles provenant du sol.

16
 Dynamisme de phytodégradation

3.6.6 Rhizofiltration :
3.6.6.1 Principe :
La rhizofiltration est une technique très récente qui consiste
à utiliser les racines des plantes pour absorber, concentrer,
et précipiter les métaux lourds qui contaminent des
effluents. La rhizofiltration est un procédé de
phytotechnologie remédiatrice qui peut être appliqué au
traitement des eaux de surface et souterraines, des effluents
industriels et miniers, des fuites agricoles, des solutions
contaminées par des radionucléides. Il a été montré que les
racines du tournesol cultivé, lorsque celui-ci était immergé
dans l'eau, accumulaient rapidement les métaux lourds et les
radionucléides. Des tests utilisant les tournesols pour extraire Rhizosphère : usine de phytoremédiation
les radionucléides des étangs contaminés par l'accident de
Tchernobyl ont montré que la rhizofiltration est une voie

17
possible pour traiter des eaux de surfaces chargées en uranium, césium et strontium. Ainsi, il a été
montré que la luzerne (Medicago saliva) pouvait pousser sur des sols irrigués par des eaux contaminées
par des métaux lourds. Il a été rapporté que Medicago saliva était capable d'accumuler des
concentrations en métaux lourds bien supérieures à celles des autres plantes. Cette tolérance et cette
capacité d'accumulation des métaux lourds sont dues à des groupes fonctionnels chimiques spécialisés
(degrés d’oxydation inhabituels, effets de synergie) et performants (activité, chimio et stéréosélectivité
supérieures aux catalyseurs classiques dans un grand nombre de réactions).

3.6.6.2 Valorisation de la rhizofiltration :

La combinaison chimie-écologie proposé une valorisation de la phytoextraction et de la rhizofiltration
par l’éco-catalyse. Les déchets végétaux générés sont valorisés à travers un recyclage écologique
innovant.

Les feuilles ou les racines des plantes gorgées de métaux sont traitées thermiquement afin d’éliminer
une partie de la matière organique et de concentrer la partie minérale. La poudre minérale obtenue est
ensuite activée pour augmenter son activité catalytique. Les extraits multi-métalliques obtenus offrent
une opportunité unique d’exploitation dans la chimie fine et industrielle.

4 Traitement biologique mis en œuvre :

4.1 Traitement in situ :
4.1.1 Bioventing :
Cette technique consiste à amener l’oxygène nécessaire à
la biodégradation et est souvent confondue avec le venting
basé sur la volatilisation des polluants. Le Bioventing
présente des coûts très faibles (traitement très réduit des
gaz en sortie et matériel de pompage plus petit que pour le
venting classique). Cette technique est utilisée depuis une
vingtaine d’années et reste très employée pour les sites
pollués par les hydrocarbures biodégradables.

Le Bioventing est un procédé in situ permettant d’aérer la

zone insaturée afin que les micro-organismes du sol
puissent mieux respirer et dégrader les polluants. Cette
technique consiste à renouveler l’air par dépression ou
injection dans la zone insaturée et à induire des circulations
d’air centrées sur et en direction de chaque point
d’extraction. La circulation d’air engendrée par le système
de Bioventing assure l’apport d’oxygène gazeux aux micro-
organismes indigènes présents dans la zone contaminée. Principe de Bioventing
Ainsi, le Bioventing permet de stimuler la biodégradation aérobie de certains contaminants. Quand la
biodégradation joue un rôle plus important que la volatilisation dans le traitement de la zone
contaminée, le système est décrit sous le nom de Bioventing.

18
Les sites privilégiés d’application de ce procédé étant les stations-services et les dépôts des produits
pétroliers. La totalité de l’installation est généralement enterrée. Les points d’extraction peuvent être
des puits verticaux (aiguilles d’extraction) ou des puits horizontaux (drains d’extraction). La profondeur
et la longueur des crépines (massif filtrant) dépend des caractéristiques géologiques et de la répartition
spatiale de la pollution.

4.2 Traitement ex situ :

4.2.1 Biotertre :
4.2.1.1 Principe :
Cette technologie a pour objectif la biodégradation des composés organiques présents sous forme
d’imprégnation dans les sols. Elle peut admettre deux principes très différents : la biostimulation et la
bioaugmentation.

Cette dégradation est le plus souvent aérobie. La distinction fondamentale réside dans le fait que la
biostimulation utilise des bactéries indigènes en créant des conditions de milieu favorables à leur
bioaugmentation qui consiste à introduire dans le milieu des micro-organismes spécifiquement
sélectionnés pour leur aptitude à dégrader le polluant.

Les micro-organismes nécessitent une source de carbone, de nutriments et d’oxygène pour dégrader les
hydrocarbures qui sont ainsi transformés en gaz carbonique et en énergie. Dans les sols contaminés, la
source de carbone est suffisante mais les nutriments et l’oxygène sont manquants ou déficitaires. La
biodégradation ne pourra se produire naturellement dans des délais intéressants qu’en présence
suffisante de nutriments et d’oxygène. Les modalités d’apport de ces éléments sont la principale clef du
procédé.

4.2.1.2 Pratique technique :

Le sol est disposé, en plate-forme de traitement, sur des épaisseurs de 0,5 à 1,5 m selon le volume à
traiter et la surface disponible. L'étanchéité est assurée par une membrane PERD (polyéthylène haute
densité) posée sur une couche antipoinçonnement. L'ancrage de cette membrane est effectué par des
tranchées ouvertes en tête de merlon.

La plate-forme est instrumentée pour permettre l'injection d'eau, de nutriments, d'oxygène et de micro-
organismes. On distingue un réseau d'extraction permettant d'assurer l'aération et la collecte des
lixiviats, et un réseau d'aspersion permettant de réinjecter ceux-ci après l'addition de nutriments.

L'ensemble fonctionne en système clos. Cependant, il est possible d'ajouter de l'eau par un puits afin de
maintenir le taux d'humidité (de l'ordre de 40 à 60 % de la capacité de rétention) adapté au
développement des bactéries. La gestion des flux (eau-air) dépend des paramètres intrinsèques du
milieu à traiter (perméabilité à l'eau, perméabilité à l'air, vitesse de percolation...). Les injections de
nutriments ou de micro-organismes sont calées sur l'évolution biochimique du tertre biologique.

19
 Principe du Biotertre

4.2.1.3 Type de polluants traité :

Ce procédé s’applique de façon optimale sur des composés organiques biodégradables absorbés sur un
sol excavé. Les facteurs limitants pour l’utilisation de cette technique sont la nature du contaminant et le
pourcentage de fines contenues dans le sol. Les polluants classiquement traités par biodégradation sont :
les gasoils, les fuels, les kérosènes, les pétroles bruts et certaines coupes pétrolières lourdes (certains
hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), huiles organiques, etc.). Le rendement de ce procédé
peut atteindre 99 % si le temps de traitement est suffisamment long.

20
5 Conclusion :

Les bioprocédés préventifs et curatifs requièrent des connaissances sur la composition des
effluents polluants, les voies métaboliques des microorganismes impliqués, les limites toxiques,
les biomasses efficaces et leur croissance, mais aussi sur le génie des procédés impliquant la
maîtrise des dispositifs de traitement in situ et celle des réacteurs et biofiltres. Concevoir et
dimensionner ces procédés de bio-détoxification nécessitent un nombre élevé de compétences
diverses. Les garanties de performances impliquent que l'exploitation reste guidée par des
spécialistes.
D'un point de vue économique les bioprocédés sont intéressants. Ils ne génèrent pas de sous-
produits dont la gestion est compliquée et la biomasse éventuellement produite est d'un
traitement banal. Aujourd'hui, il est évident que les bioprocédés ont acquis une place
significative dans l'éventail technologique disponible pour la dépollution ou la prévention de la
pollution. Leur utilisation est sans doute loin d'avoir atteint le potentiel démontré par les études
de laboratoire et semble devoir continuer à se développer. L'intérêt croissant des sociétés pour
la protection de l'environnement et le fait que les techniques biologiques bénéficient d'une
perception favorable devraient favoriser la recherche sur les bioremédiations et la prévention
biologique de la pollution et permettre le développement de nouvelles techniques.
La bioremédiation est apparemment une perspective future de développement durable très
prometteuse. Par contre, si nous prenons au sérieux le problème de l’augmentation de la
population, de l’épuisement des ressources, de la dégradation des services naturels que nous
procurent les écosystèmes et de l’augmentation de notre empreinte écologique bien au-delà de
la capacité de support des écosystèmes, alors, la maitrise des impacts de nos activités
industrielles et l’usage raisonné des ressources constituent la solution pour juguler le flux des
matières dans l’économie à leur stricte fonction utilitaire.

21
6 Bibliographie :

• http://publications.eti-construction.fr/publications/mani-ti219/depollution-
sl8621395en/depollution-sl8621403gu/
• http://grtdarma.com/fr/pc.asp?p=biofilter-biofiltration
• http://www.enviroaccess.ca
• http://docplayer.fr/80138257-Phytoremediation-exemple-du-parc-departemental-du-peuple-de-
l-herbe-a-carrieres-sous-poissy-78.html
• https://fr.scribd.com/document/293432421/Bioremediation-Des-Sols
• https://fdocuments.in/amp/document/introduction-a-la-bioremediation-des-sols-des-eaux-et-
de-laboratoire.html
• http://pf-mh.uvt.rnu.tn/33/1/SN232.pdf
• http://docnum.univ-lorraine.fr/public/UPV-M/Theses/2011/Techer.Didier.SMZ1147.pdf
• https://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-58609-FR.pdf
• https://dechetsdesmenages.typepad.fr/dechets-des-menages/les-procedes-biologiques.html
• https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/583320/filename/2010MULH3233_bois_1.pdf
• https://culturesciences.chimie.ens.fr/thematiques/chimie-organique/catalyse/ecologie-et-
chimie-une-combinaison-gagnante-12
• https://www.selecdepol.fr/techniques-de-depollution

22