Des micro-organismes photoactifs pourraient assainir les eaux usées en Europe
Les stations d’épuration européennes jouent un rôle essentiel dans la protection de l’environnement, en préservant les rivières, les lacs et les eaux côtières des polluants présents dans les déchets humains et industriels. Depuis des décennies, les stations d’épuration classiques utilisent des «boues activées», c’est-à-dire des agrégats lâches de bactéries, pour décomposer les déchets. Or, ce procédé nécessite beaucoup d’espace et exige un apport constant d’oxygène (O2) pour alimenter les bactéries, ce qui consomme beaucoup d’énergie et entraîne d’importantes émissions de dioxyde de carbone (CO2). Une avancée majeure a eu lieu lorsque des chercheurs ont transformé ces bactéries en structures sphériques denses appelées granules aérobies(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), ce qui a permis de réduire l’encombrement physique et les coûts des stations d’épuration. Pourtant, même ces granules nécessitent une aération artificielle intensive pour l’apport en O2. Dans le cadre du projet Inlight, financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), des chercheurs ont étudié comment l’introduction de micro-organismes photoactifs sous forme de «photogranules» pourrait rendre le processus encore plus durable. «En associant des bactéries dépolluantes à des micro-organismes phototrophes tels que les microalgues et les cyanobactéries, nous créons un écosystème autosuffisant», explique Emine Kayahan(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), ingénieure chimiste à l’université de Louvain(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Ici, les phototrophes agissent comme de minuscules arbres: ils recourent à la lumière pour transformer le CO2 en O2, que les bactéries utilisent ensuite pour purifier l’eau.» Dans le cadre du projet Inlight, Emine Kayahan et ses collègues ont eu recours à des photobioréacteurs, ainsi qu’à des techniques de modélisation et à des expériences de pointe. Ils ont évalué l’apport lumineux nécessaire aux phototrophes pour générer suffisamment d’O2 afin de soutenir la croissance hétérotrophe.
Vers des systèmes de traitement des eaux usées sans aération
Emine Kayahan a d’abord prélevé une communauté microbienne directement dans un étang naturel situé à l’extérieur de son département, avant de l’introduire dans des bioréacteurs de laboratoire et de lui imposer des cycles artificiels de lumière et de nourriture. «Nous avons créé un environnement dans lequel les espèces phototrophes et hétérotrophes recherchées pouvaient prospérer ensemble et former des photogranules robustes», explique-t-elle. L’équipe a ensuite mené une série d’analyses chimiques pour suivre la réduction du carbone, de l’azote et du phosphore dans le réacteur, tout en cartographiant avec précision la quantité de lumière entrant dans les systèmes et celle d’O2 qui en sortait. Si les modèles actuels élaborés par l’équipe permettent de prédire avec succès la distribution de la lumière à l’échelle du laboratoire, Emine Kayahan souligne que des défis majeurs subsistent. «Il sera essentiel de développer de nouveaux modèles de réacteurs capables de fournir de la lumière plus efficacement aux photogranules pour garantir la viabilité de ces systèmes à l’échelle industrielle», ajoute-t-elle. Au-delà des travaux en laboratoire, Emine Kayahan a également mis en place un réseau scientifique mondial hautement collaboratif, notamment en animant des ateliers spécialisés et en coorganisant la toute première conférence internationale sur les photogranules. Elle dirige aujourd’hui une initiative mondiale majeure visant à établir une terminologie normalisée et un système de référence pour la recherche sur les photogranules. L’un des axes principaux de cette initiative consiste à identifier les véritables facteurs déterminants de la photogranulation afin de garantir la stabilité à l’échelle industrielle. À terme, cet effort fournira un cadre pour concevoir des communautés microbiennes en adaptant la conception et le fonctionnement des réacteurs, et en établissant des indicateurs clairs pour évaluer les performances du système. «C’est précisément grâce à cet effort collectif que nous parviendrons à transposer cette technologie dans des applications industrielles concrètes», explique-t-elle.
Un avenir plus écologique pour le traitement des eaux usées en Europe
Cependant, l’adoption de cette technologie par l’industrie nécessitera un changement radical de mentalité, note Emine Kayahan. «Nous devons cesser de considérer les eaux usées comme un problème à éliminer et commencer à les traiter comme une ressource à valoriser.» Comme les photogranules capturent du CO2 qui serait autrement perdu, cette technologie présente de nombreux avantages par rapport aux systèmes conventionnels. «En appliquant une approche de “bioraffinerie” aux flux industriels propres, nous pouvons transformer le traitement des eaux usées, qui est actuellement un service public coûteux, en une chaîne de production durable», ajoute Emine Kayahan. «Tester ces concepts à l’aide de systèmes pilotes industriels dédiés constitue la prochaine étape logique.»
