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La biolixiviation

Les impacts environnementaux et sociaux des industries minières et le besoin accru de certains métaux comme les terres rares pour les appareils électroniques modernes rendent urgente l'élaboration de solutions nouvelles pour traiter les minerais ou récupérer dans les déchets des éléments de plus en plus recherchés. C'est ce que pourrait apporter un procédé, la biolixiviation.

Une solution biotechnologique éprouvée

La biolixiviation, c’est-à-dire l’extraction de métaux grâce à des micro-organismes, est une technique déjà utilisée pour produire 5 % de tout l’or mondial et 20 % du cuivre et, de façon plus marginale, pour l’extraction du nickel, du zinc, du cobalt et de certaines terres rares. Son développement industriel a réellement débuté il y a moins de 20 ans.
Le procédé s'applique à des réserves de minerai, c’est-à-dire de roches suffisamment riches en minéraux d’intérêt. Il nécessite de grandes quantités d’eau, que l’on rend généralement acide et des micro-organismes préléablement sélectionnés (bactéries, archées ou champignons) qui vont faire le travail d’extraction des minéraux intéressants. Bien souvent, l’apport d'oxygène est nécessaire et parfois, pour certains micro-organismes, l'apport en sucres.

La biolixiviation peut s’effectuer par deux voies. Une voie statique qui consiste à verser directement la solution sur le minerai stocké dans un vallon, une cuvette que l’on a imperméabilisée et au fond de laquelle on récupère les métaux dissous. Et une voie dynamique qui consiste à broyer et concasser finement le minerai pour le placer dans de grands réservoirs appelés bioréacteurs. Le contenu de la cuve est alors sans cesse agité afin d’améliorer la surface de contact entre bactéries et minerai et de rendre l’oxygène plus facilement disponible. Avec l’expérience, on a appris à 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.

Plusieurs atouts économiques

Comparée aux méthodes traditionnelles de récupération des minéraux que sont la pyrométallurgie (extraction par fusion des roches) ou l’hydrométallurgie (extraction par dissolution chimique de la roche), la biolixiviation, qui peut aussi être appelée bio-hydrométallurgie, utilise peu d’énergie, produit beaucoup moins de sous-produits et surtout beaucoup moins de polluants. En outre, la mise en oeuvre est relativement peu coûteuse et permet d’extraire des minéraux à partir de minerais pauvres ou de résidus miniers dont l’exploitation traditionnelle ne serait pas rentable. Ainsi, au Chili par exemple, où la quasi-totalité des minerais riches en cuivre ont été exploités, la biolixiviation a pris le relais pour les ressources restantes à faible teneur en métal. En Ouganda, cela fait maintenant une dizaine d’années que les stériles des mines de cuivre sont utilisées pour produire du cobalt. Cependant, le procédé est beaucoup plus lent et, mal conduit, il peut aussi mener à des catastrophes environnementales. Ainsi, la mine finlandaise de Talvivaara, qui avait mis en place un procédé de biolixiviation pour récupérer nickel, zinc, cobalt et cuivre depuis un minerai faiblement concentré dans les années 2000 a connu d’importantes fuites et défauts d’imperméabilisation qui ont ravagé les eaux aux alentours, avec notamment une fuite d’uranium qui a mené l’entreprise à la faillite.

Une clé pour les terres rares ?

Les terres rares (qui comprennent les 15 lanthanides plus le scandium et l’yttrium) sont des matériaux très prisés en électronique, dans les industries des énergies renouvelables, ou encore pour des applications en optique, en raison de leurs propriétés paramagnétiques et luminescentes. Malgré leur nom, les terres rares sont plutôt abondantes dans la croûte terrestre, mais elles sont très dispersées et ne font pas de filons ou de minerais très concentrés. Par conséquent, leur extraction est compliquée et très coûteuse. L’approvisionnement mondial est aux mains de la Chine (90%) via l’exploitation des sous-produits d’autres industries minières, notamment du fer et du cuivre. Flambée des prix, risque de rupture d’approvisionnement sont des motivations très fortes pour trouver des méthodes alternatives à leur extraction. Parmi elle, la « biolixiviation urbaine », qui consiste à extraire les métaux intéressants des déchets électroniques via des microorganismes, a donné lieu à des réussites intéressantes pour récupérer des éléments rares présents dans des lampes fluorescentes ou des aimants de disques durs. En tout état de cause, le procédé semble être promis à un bel avenir. D’une part, parce que les études menées sur les micro-organismes extrêmophiles se développent, ce qui permet d’améliorer encore les rendements et les conditions de la biolixiviation. A titre d’exemple, des souches de bactéries qui continuent d’être actives en milieu salé permettent de continuer les activités minières dans des pays où l’eau douce s’est faite rare. D’autre part, parce que c’est aussi une technique que l’on envisage pour l’exploitation des minéraux sur d’autres corps célestes (Lune, Mars, astéroïdes) ; des études menées sur la station internationale ayant montré que certains microorganismes extrêmophiles terrestres étaient capables de résister aux conditions extrêmes de l’espace (températures, vide, radiations). Enfin, parce qu’elle sert aussi depuis longtemps comme base pour des opérations de dépollution des sols, on parle alors de bioremédiation par les bactéries.
Publié le 03/05/2018

En savoir plus 

http://www.brgm.fr/projet/biotechnologies-viennent-secours-valorisation-environnement

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Le plancton : cet ami qui nous veut du bien
Les planctons livrent aujourd’hui de nouveaux secrets sur cette pompe biologique qu’est l’océan grâce aux échantillons récoltés lors de l’expédition Tara Océans.

L’océan au cœur du climat

L’océan recouvre près de 70 % de la surface de la Terre et joue un rôle majeur dans le cycle de l’eau. En absorbant près d’un quart du gaz carbonique issu de la combustion des énergies fossiles, il est le principal puits de carbone sur la planète et contribue ainsi à réguler le climat à l’échelle mondiale. L’absorption du CO2 par l’océan repose sur des processus physiques et biologiques, qu'on appelle des « pompes ».

Les océans absorbent les gaz présents dans l’atmosphère. Cette dissolution est plus importante dans les eaux froides que dans les eaux chaudes. Or, sous l’effet de leur densité, les eaux froides plongent dans les profondeurs des océans (c'est le moteur de la circulation thermohaline) et entraînent avec elles dans les fonds marins le CO2 absorbé en surface. C’est la pompe physique. La pompe biologique, quant à elle, repose sur l’absorption du CO2 par les tissus des organismes présents en surface, via la photosynthèse, ou, par la production des coquilles calcaires de certains micro-organismes. Le carbone, ainsi fixé sous forme de particules marines, sédimente à la mort de ces organismes. Il est entraîné vers les profondeurs, avant d’arriver dans les grands fonds où il sera stocké.

L’absorption du CO2 par les organismes marins est l’un des processus majeurs de séquestration du carbone sur des échelles de temps géologiques. Un seul et même ensemble d’organismes, à la base de la chaîne alimentaire marine, regroupe plus de 90 % de la biomasse de l’océan : c'est le plancton.

Les planctons : une histoire vieille de plusieurs milliards d’années

Le plancton regroupe l’ensemble des êtres vivants, animaux et végétaux, évoluant dans l’eau et qui se laissent dériver dans le courant. Il comprend des virus, des bactéries, des eucaryotes  uni- et multicellulaires. Ce sont ainsi des milliards de milliards d’individus peuplant océans, mers, lacs, rivières et ruisseaux, dérivant entre deux eaux ou fixés sur les fonds. Les planctons sont apparus il y a près de 3.8 milliards d’années. Ils produisent la moitié de l’oxygène de la planète. En portant la proportion d’oxygène atmosphérique à 20%, seuil nécessaire à la respiration des mammifères, ce sont eux qui ont permis leur apparition.

Ses coquilles font aussi du plancton un indice majeur pour reconstituer les climats passés. En effet, formées à partir du carbone prélevé dans l’atmosphère, elles en renferment les concentrations isotopiques et les conservent lorsqu’elles sédimentent. Mais ce n’est pas tout. Des études menées sur des carottes ont aussi révélé que lors d’un échauffement trop important des océans, le plancton sédimenté rejetait dans l’atmosphère le CO2 accumulé.  

Du plancton dépendent ainsi le développement des autres espèces du monde marin, l’oxygène présent dans notre atmosphère et l’évolution de notre climat. Cependant, cet écosystème demeure l’un des moins connus. Pour combler cette lacune, une centaine de scientifiques venant de près de 22 laboratoires et Instituts de recherche internationale, ce sont regroupés autour d’un projet équipe interdisciplinaire réunissant des biologistes, des informaticiens et des océanographes : Tara Océans.

Tara Océans : un projet métagénomique

Tara Océans est une expédition scientifique menée à bord de la goélette Tara qui a débuté en 2009, afin de récolter un très grand nombre d’échantillons d’eau de mer et de plancton. Les 35.000 échantillons prélevés entre 2009 et 2013 ont aujourd’hui livré leurs premiers secrets. Ils ont permis de lever le voile sur les espèces planctoniques, leurs interactions et les principales fonctions associées à la pompe biologique dans les régions océaniques particulièrement “pauvres” en nutriments. La goélette Tara, d’une longueur de 36 mètres, a parcouru tous les océans de la planète et continue d’ alimenter une base de données publique sur les ressources biologiques des océans. C’est un chercheur du CNRS, Eric Karsenti, médaillé d’or du CNRS en 2015, qui est à l’initiative du projet scientifique. Son objectif était de cartographier la biodiversité des océans et d’améliorer la compréhension du rôle joué par les organismes microscopiques sur les océans. Un travail de grand ampleur se met alors en place afin d’étudier toute la population de gènes présente dans les échantillons prélevés. Cela fait de Tara Océans l’un des plus gros projet de métagénomique dans le monde.

La génomique est l’étude d’un échantillon, provenant d’un environnement naturel, à partir de son matériel génétique : son génome. La métagénomique vise, notamment, à étudier les gènes et les génomes de différents organismes provenant d’un même milieu. De par la complexité des milieux étudiés et de la masse d’informations générée, la génomique pose de nouvelles questions, tant d’un point de vue biologique qu’informatique. Cela explique le caractère innovant et interdisciplinaire de Tara Océans et la diversité des échantillons prélevés.

Les découvertes

Grâce aux planctons collectés entre 2009 et 2013, dans des zones pauvres en nutriments, les scientifiques ont mis au point un catalogue des organismes planctoniques. Ce catalogue livre aujourd’hui la première vision globale du réseau d’espèces liées à la pompe biologique. De nouveaux acteurs ont été identifiés, ainsi que les principales fonctions bactériennes concernées dans le processus. Ce sont des chercheurs, principalement du CNRS, de l’UPMC, de l’Université de Nantes, du VIB, de l’EMBL et du CEA, qui ont ainsi décrit le premier “réseau social planctonique”. Cette découverte permettra aux chercheurs d’étudier le comportement de ce réseau face aux perturbations climatiques, ainsi que ses conséquences sur la pompe à carbone biologique.

L’analyse des gènes des bactéries et des virus planctoniques a également permis aux chercheurs de démontrer que la présence d’un petit nombre de gènes, bactériens et viraux, pouvait prédire la répartition verticale du carbone. Une partie de ces gènes serait en effet impliquée dans la photosynthèse, mais aussi dans la dégradation et la sédimentation de la matière organique.

Bien que la fonction de la majeure partie des gènes nouvellement identifiés reste inconnue, la connaissance de ces réseaux planctoniques et de ces nouveaux gènes, ouvre la voie à de nouvelles perspectives, pour mieux comprendre et modéliser ces réseaux. En attendant, les chercheurs vont se concentrer sur les régions océaniques riches en nutriments, afin de compléter les réseaux planctoniques révélés pour les régions pauvres en nutriments.

Tara demain

Dans la droite ligne de l’approche dédiée au plancton (même multidisciplinarité) Tara partira en Asie-Pacifique en 2016-2018 et mènera une étude nouvelle sur les récifs coralliens. D’Est en Ouest et du Nord au Sud, Tara parcourra l’Océan Pacifique pour découvrir la diversité cachée du corail et mieux appréhender les capacités d’adaptation aux changements climatiques. Si les récifs coralliens ne couvrent que 0,02% de la superficie des océans, ils réunissent près de 30% de la biodiversité marine. Leur santé est donc cruciale pour la diversité des espèces qu’ils abritent et pour l'Homme. 

Etudier un tel écosystème à l’échelle de l’océan Pacifique devient une priorité alors qu’une grande partie de récifs coralliens tend à disparaître ces dernières années. Véritables indicateurs de la santé des Océans, nous ne savons pourtant encore que très peu de choses sur leurs capacités à s’adapter aux évolutions de son environnement.

Tara PACIFIC sera menée en partenariat avec Paris Sciences Lettres, le CNRS, le Centre scientifique de Monaco. Nous présenterons la nouvelle expédition et ses objectifs de recherche lors d’une conférence de presse prévue le 14 avril 2016 (le départ de Tara depuis son port d’attache Lorient est prévu pour le 28 mai 2016).

Source Elodie Bernollin, directrice de la communication de Tara Expéditions 

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