Senseurs biologiques et bioremédiation

Les pollutions du sol et des eaux peuvent mettre en danger la santé de l’homme et des animaux. Souvent leur élimination ne peut se faire que moyennant des frais considérables. La biologie synthétique dispose d’instruments qui permettent de produire des microorganismes efficaces, capables de dégrader les polluants de manière biologique.

Dépollution biologique à l'aide de microorganismes

Le procédé de dépollution biologique (bioremédiation) au moyen de microorganismes spécifiques est une technique durable et bon marché permettant l’élimination des déchets. Elle utilise des bactéries, des champignons et des plantes choisis pour retirer ou neutraliser les polluants des sols ou des eaux. Des microorganismes, présents dans la nature, transforment les substances dangereuses – comme par exemple des composants du pétrole brut, des pesticides ou des dissolvants chlorés – en substances moins toxiques, voire non toxiques. La bioremédiation peut se dérouler sur place ou ailleurs. Dans le premier cas, le matériel pollué est traité sur les lieux, dans le deuxième, il est déplacé, dans une décharge par exemple, où il sera traité ultérieurement. Souvent la bioremédiation sur place doit être initiée ou stimulée par l’adjonction de substances nutritives et d’oxygène afin que les organismes puissent absorber les polluants (voir à ce sujet la marée noire produite par l’Exxon Valdez).1

La modification génétique ouvre de nouvelles possibilités

Les produits chimiques nouveaux, qui ne se trouvaient pas dans la nature initialement, ne sont que difficilement dégradables par les microorganismes. Ceci peut être modifié par l’inclusion dans le génome des microorganismes de gènes nécessaires à la dégradation de tels produits. Ainsi ces substances chimiques difficiles à « casser » peuvent être dégradées.

Les microorganismes comme détecteurs de produits nocifs

Pour dépister la présence de produits chimiques nocifs, l'utilisation de « bioreporters » peut s'avérer utile. Les « bioreporters » sont des microorganismes vivants qui jouent le rôle de « chiens de garde ». Ils servent ainsi de systèmes de détection de conditions environnementales défavorables ou nuisibles. Au contact de substances chimiques, les « bioreporters » émettent des signaux fluorescents ou autres. Ces signaux permettent de mesurer l’apparition de pollutions chimiques à de très faibles concentrations.2 Pour leur usage technique, les « bioreporters », à l’instar des composants informatiques, sont fixés à des microplaques et intégrés dans des instruments analytiques développés à cette fin. Bien que les « bioreporters » aient fait leurs preuves de nombreuses fois en laboratoire, leur introduction dans la nature nécessite encore une recherche intensive.

En quoi est-ce de la biologie synthétique?

Tandis que les bactéries et les champignons sont capables de dégrader ou transformer des matières organiques comme des restes de plantes ou d’animaux par exemple, il leur est souvent très difficile de décomposer les produits chimiques élaborés par l’homme. Le cours des réactions biochimiques requises à cet égard peut, dans les conditions naturelles, durer jusqu’à 500 ans. La combinaison spécifique de divers gènes provenant de plusieurs organismes différents permet de générer la capacité de dégrader ces substances chimiques, d’où la possibilité d’éliminer les pollutions environnementales selon un processus biologique. Grâce à l’intégration de gènes spécifiques, les « bioreporters » seront mis à même, lorsqu’ils sont en contact avec des substances chimiques, d’émettre des signaux mesurables, par exemple lumineux, permettant de déterminer la concentration de ces substances. Ils disposent donc de nouvelles propriétés telles qu'ils n’existent pas dans la nature.

Activités en Suisse

Aussi la Suisse connait des sites pollués - pour un coup d’œil, voir NABO.3

L’Institut du domaine de l’eau des EAWAG étudie la manière dont les microorganismes dégradent les pollutions de l’eau et des sols cultivés afin de contribuer à une meilleure épuration de l’eau et une amélioration de sa qualité.4

Le Laboratoire de microbiologie de l’environnement de l’EPF de Lausanne5 étudie, dans la région de Thoune et dans le canton du Tessin, comment les organismes du sol fixent les pollutions au chrome.

Le Département de microbiologie fondamentale de l’Université de Lausanne développe l’utilisation de « bioreporters » fixés sur des microchips.6 Les résultats les plus récents portent sur les « bioreporters » pour l’arsenic.7 Le même groupe de recherche lausannois participe aussi au projet BRAAVOO qui a pour but de mesurer  la qualité de l'eau marine en temps réel grâce à différents « bioreporters ».8

Dans le cadre du projet «Envirobot », l’Université de Lausanne, l’EAWAG, l’EPF de Lausanne et la Haute Ecole d’ingénierie du Valais collaborent à la construction d’un robot qui collectionne des échantillons d’eau et les analyse en utilisant en parallèle, des « bioreporters » et des senseurs chimiques.9

Senseurs biologiques: Détection d’arsenic dans l’eau potable.
Senseurs biologiques: Détection d’arsenic dans l’eau potable.
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Senseurs biologiques: Détection d’arsenic dans l’eau potable.
Senseurs biologiques: Détection d’arsenic dans l’eau potable.

Des bactéries détectent l’arsenic dans l’eau potable. Le groupe de recherche du Prof. van der Meer à l’Université de Lausanne a modifié des bactéries de manière à ce qu’elles émettent de la lumière lorsqu’elles entrent en contact avec de l’arsenic [7]. Illustration: Franziska Oeschger, Forum Recherche génétique.

Conséquences pour la société

Lorsque des microorganismes sont utilisés comme « bioreporters », ils sont intégrés dans des instruments d’analyse, utilisés en nombre restreint et ne sont pas disséminés dans l’environnement. Leur capacité à émettre un signal lorsqu’ils détectent une pollution environnementale ne leur confère aucun avantage sélectif eu égard aux autres microorganismes. Les microorganismes qui sont utilisés dans la dégradation biologique des polluants sont des organismes naturels qui se trouvent à l’endroit de la pollution ou qui y sont amenés depuis un autre site pollué. Ils doivent être choisis avec soin afin qu’ils n’aient aucun effet négatif sur l’environnement. Ils ne représentent aucun danger pour l’homme de même que pour les animaux et les végétaux. Ceci vaut également pour des microorganismes dans lesquels ont été introduits des gènes provenant d’autres microorganismes aptes à la dégradation des polluants. Ces gènes sont présents dans la nature et ne confèrent plus aucun avantage aux microorganismes lorsque la pollution est éliminée.

Littérature

  1. Atlas RM and Hazen TC (2011) Oil Biodegradation and Bioremediation: A Tale of the Two Worst Spills in U.S. History. Environ Sci Technol. 45(16): 6709–6715. Lien
  2. Xu T et al. (2013) Genetically modified whole-cell bioreporters for environmental assessment. Ecological Indicators 28: 125-141. Lien
  3. NABO – L’observation national des sols. Lien
  4. Département Microbiologie de l’environnement, EAWAG. Lien
  5. Environmental Microbiology Laboratory, EPF Lausanne. Lien
  6. Department of Fundamental Microbiology, University of Lausanne. Lien
  7. Merulla D, Hatzimanikatis V and van der Meer JR (2013) Tunable reporter signal production in feedback-uncoupled arsenic bioreporters. Microbial Biotechnology 6 (5): 503-14. Lien
  8. BRAAVOO - biosensors for real-time monitoring of marine contaminants. Lien
  9. Envirobot – a Nano Tera project. Lien

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