La bioremédiation et son utilisation contre la pollution de l'environnement

introduction

La pollution de l'environnement est un problème émergent simultané à mesure que la civilisation moderne se développe rapidement. Le problème s'aggrave de jour en jour.

Il y a également eu une augmentation de la concentration de polluants et de toxines non biodégradables. La menace posée par la contamination par les hydrocarbures résultant des activités des raffineries de pétrole, rejets accidentels de produits pétroliers, et les phénomènes naturels sont alarmants.

Afin d'atténuer les risques de pollution, des stratégies de gestion efficaces ont été mises en place. Cependant, ces stratégies ne sont pas respectueuses de l'environnement, sont chers, et sont moins efficaces.

D'un autre côté, en utilisant différents micro-organismes pour nettoyer les contaminants de l'environnement et de l'eau, la bioremédiation est considérée comme l'une des plus prometteuses, populaire, efficace, et des stratégies durables sur le terrain aujourd'hui.

En bioremédiation, des microbes spécifiques se nourrissent et digèrent les polluants chimiques toxiques. Il s'avère être l'un des outils les plus performants et les plus respectueux de l'environnement pour nettoyer les endroits inaccessibles aux humains.

La biotechnologie fait partie intégrante de la bioremédiation, qui fournit des mécanismes naturels de décontamination de l'environnement, sol, et de l'eau. Lorsque les contaminants sont des déchets industriels, les mécanismes biotechnologiques sont appliqués à la bioremédiation. Les scientifiques s'efforcent davantage d'améliorer la capacité des microbes à métaboliser les toxines.

Métaux lourds naturels dans l'environnement

Le terme « métal lourd » est appliqué à 53 des 90 éléments naturels. Parmi ceux-ci, il existe quatre micronutriments essentiels à la croissance des plantes :le cuivre (Cu), Manganèse (Mn), Fer (Fe), et le zinc (Zn).

Métaux lourds essentiels (Ni, Pb, Fe, Mn, Cu et Zn) sont les micronutriments essentiels aux activités biochimiques et physiologiques importantes de la croissance des plantesPawan Kumar, 1995

Cependant, si leurs concentrations sont supérieures à celles requises pour une croissance normale, ils seront toxiques. En outre, des métaux comme le mercure (Hg), Cadmium (Cd), et le plomb (Pb) sont toxiques même à de très faibles concentrations.

Métaux lourds non essentiels (Cd, Hg, Pb, Cr et as) n'ont aucune fonction biologique ou physiologique connue et sont donc considérés comme non significatifs pour la croissance et le développement des plantesPawan Kumar, 1995

Toxicité des métaux lourds pour les humains et les animaux

Les métaux lourds des deux catégories sont toxiques pour les plantes, humains, et les animaux en concentrations excessives. Par conséquent, des concentrations plus élevées de métaux lourds essentiels et non essentiels dans le système biologique pourraient avoir un impact négatif sur la croissance et le développement ainsi que provoquer des effets néfastes sur la santé.

Ces métaux peuvent exister en tant qu'entités individuelles ou en fusion avec différents constituants du sol qui pourraient comprendre des ions métalliques solubles dans la solution ou des ions échangeables qui sont absorbés à la surface de composés métalliques organiques ou inorganiques comme les phosphates et les carbonatesMridul Ghosh, 2005

Il existe différents effets associés à la toxicité des métaux lourds, tel que Sélénium toxicité (9 mg/jour), ce qui peut entraîner des ongles déformés chez l'homme et des maladies alcalines chez les animaux.

Les effets toxiques de Cadmium (200 microgrammes/kg-1 de poids frais) perturbent les fonctions normales du Zinc et du Calcium. La toxicité du cadmium est la cause de " itai-itai ", une maladie multisystémique, qui provoque une ostéoporose sévère et une fragilité osseuse.

Les " Minamata ” (Japon 1953-60) peut aussi être causée par Mercure toxicité (> 0,1 microgramme/kg de poids corporel). De nombreuses personnes sont mortes à cause de poissons contaminés au mercure.

Des anomalies tissulaires ont été observées dans le système nerveux central, fœtus et les globules rouges car ils sont plus sensibles à la contamination par le méthylmercure (27-102 ppm).

Une dose toxique de arsenic (3mg/jour) peut provoquer un cancer de la peau, hyperkératose, hyperpigmentation, pied noir, et le cancer des organes internes.

Les radicaux libres sont produits par les métaux de transition à activité redox (par exemple, Fe2+ ​​et Cu2+). Essentiellement, ils remplacent d'autres métaux essentiels dans les enzymes et les pigments.

Quelques ions métalliques (Hg2+, Cu2+) peut interférer avec la structure et la fonction des protéines en réagissant avec les groupes thiol.

Certains métaux existent sous forme d'isotopes radioactifs (238U, 137Cs, etc.) qui présentent des risques pour la santé.

Les concentrations de métaux lourds dans les sols et leurs limites réglementaires standard sont indiquées dans le tableau ci-dessous :

Éléments	Concentration (mg/kg)	Limite réglementaire standard (mg/kg)
Arsenic	0,1-102	20
Cadmium	0,1-345	100
Chrome	0,005-3950	100
Le cuivre	0,03-1550	600
Mener	1-6900	600
Mercure	0,001-1800	270
Zinc	0,15-5000	1500
Sel et al., 1998

Méthodes traditionnelles d'amélioration des métaux lourds

Quant à la dépollution des métaux lourds, les approches les plus courantes et conventionnelles sont la mise en décharge, traitement thermique, fouilles et enfouissement, échange d'ion, l'agriculture des terres, extraction chimique, lavage des sols, et l'extraction et le traitement des eaux souterraines.

Les solutions traditionnelles ne sont pas souhaitables car elles impliquent des coûts élevés, sont de nature intrusive, ne peut pas toujours être mis en œuvre, peut détruire la structure du sol et la CEC, déstabiliser les écosystèmes, sont esthétiquement peu attrayants, et produire des résultats médiocres.

Phytoremédiation des métaux lourds

Le concept d'utiliser la nature pour nettoyer la nature est basé sur une approche respectueuse de l'environnement, rentable, technologie basée sur l'énergie solaire qui est esthétiquement agréable et rentable.

Qu'est-ce que la phytoremédiation ?

Une méthode pour enlever, dégradant, ou contenant une pollution chimique du sol, sédiments, eaux souterraines, les eaux de surface, et même l'air en utilisant les plantes et leurs micro-organismes associés.

Décontaminer les sols et les eaux pollués naturellement par –

Utilisation de plantes vertes pour éliminer les polluants de l'environnement ou les rendre inoffensifs Salt et al., 1998

qu'est-ce qui est utilisé en phytoremédiation ?

Par ailleurs, les micro-organismes du sol en conjonction avec les plantes sont également utilisés pour l'assainissement des contaminants organiques et inorganiques.

La phytoremédiation a les objectifs suivants :

• Afin de réduire les niveaux de contamination de plusieurs polluants dans le sol et l'eau.
• Pour accumuler des contaminants dans les plantes récoltées qui peuvent être enlevés et pour améliorer ou maintenir les conditions physiques du site.
• Amélioration chimique et biologique du sol.

Types de phytoremédiation

Dans le cas des polluants organiques, la phytoremédiation utilise des mécanismes tels que la phytostabilisation, phytovolatilisation, rhizodégradation, et la rhizofiltration.

Pour les polluants inorganiques, les mécanismes de phytoremédiation sont la phytovolatilisation, phytostabilisation, rhizofiltration, et la phytoaccumulation.

Voici quelques types de phytoremédiation :

1 . Phytostabilisation

Les racines des plantes ont le potentiel de se stabiliser, immobiliser, et se lient aux particules toxiques du sol, réduisant ainsi leur biodisponibilité.

Les espèces végétales peuvent immobiliser les contaminants dans les eaux souterraines et le sol en absorbant et en accumulant des polluants, ou la précipitation de résidus métalliques dans la zone racinaire.

Idéalement, ce processus est utilisé pour éliminer les métaux toxiques des sols, sédiments, et les boues.

2 . Phytoextraction

Grâce au processus de phytoextraction, certaines espèces végétales sont capables d'accumuler de fortes concentrations de polluants métalliques, ainsi que des nutriments excédentaires dans les pousses et les racines récoltées, du substrat ou du sol contaminé.

Ce procédé est optimal pour les métaux, non-métaux, radionucléides, métalloïdes, polluants organiques dans les sols, sédiments, et milieu de boue Raman Hinchman, 1995

3 . Phytovolatilisation

Capacité des plantes à absorber puis à volatiliser les particules polluantes dans l'atmosphère. Particules métalliques dans le sol, eaux souterraines, sédiments, et les boues peuvent être éliminées à l'aide de ce processus.

4 . Phytotransformation

Il implique l'absorption métabolique des polluants ainsi que des nutriments par la plante et la décomposition ultérieure des contaminants soit en interne par le métabolisme de la plante, soit en externe par les effets induits par la plante Raman Hinchman, 1995

Dans les sols, eaux souterraines, sédiments et boues, ce procédé peut être utilisé pour réduire des molécules organiques complexes, en les décomposant en molécules contaminantes plus simples.

5 . Rhizofiltration

La rhizofiltration est le processus d'absorption de substances toxiques, avec un excès de nutriments, du milieu de croissance ou du site contaminé par les racines des plantes.

Les particules polluantes sont soit déposées sur les racines de la plante, soit absorbées dans la zone racinaire par précipitation ou adsorption.

Le processus est idéal pour éliminer les nutriments en excès, métaux, et les radionucléides polluants des eaux de surface, eaux souterraines, et les eaux usées.

6. Rhizodégradation :

La rhizodégradation est le processus par lequel les particules contaminant le sol sont décomposées par l'action de microbes ainsi que par l'absorption supplémentaire de polluants par les racines de la plante.

Il utilise des micro-organismes pour consommer et métaboliser des substances organiques et fournir nutrition et énergie.

Les substances naturelles libérées par les racines des plantes telles que les acides, les sucres et les alcools contiennent une fraction de carbone organique qui sert de source d'énergie aux micro-organismes résidents du sol et créent une masse racinaire épaisse qui absorbe de grandes quantités d'eau Irena Shtangeeva, 2004

Mécanisme de phytoremédiation

L'utilisation de plantes pour l'assainissement d'un site contaminé implique plusieurs mécanismes.

Les systèmes racinaires jouent un rôle clé dans la prévention de la toxicité induite par les contaminants. Les polluants sont absorbés par les plantes via le système racinaire.

Afin de permettre l'absorption et l'accumulation d'eau et de nutriments, une surface suffisante est fournie par la rhizosphère.

De la même manière, les chercheurs examinent si les arbres peuvent être utilisés pour éliminer efficacement les polluants des couches plus profondes du sol qui sont plus faciles à pénétrer par les racines plus profondes des arbres par rapport aux petites plantes.

En libérant des composés inorganiques et organiques (exsudats) dans la rhizosphère, les racines des plantes modifient également l'interface sol-racine.

À la suite d'exsudats racinaires, les micro-organismes se multiplient, les particules de sol deviennent plus stables, et les contaminants deviennent plus facilement biodisponibles.

Les exsudats végétaux affectent la mobilité et la biodisponibilité des polluants dans la rhizosphère en modifiant les caractéristiques du sol, modification de la composition chimique, libérant des composés organiques et augmentant l'activité microbienne assistée par les plantes.

Plus loin dans l'article, les avantages et les inconvénients de la phytoremédiation sont discutés.

Avantages de la phytoremédiation

L'utilisation de plantes offre de nombreux avantages par rapport aux méthodes d'assainissement conventionnelles

• Dans le sol et l'eau, cette technologie est un moyen efficace, efficace, et des moyens de dégradation respectueux de l'environnement, diminuant, ou détoxifier les contaminants.
• En raison de ses faibles coûts d'entretien et de récolte, c'est une méthode peu coûteuse.
• Il s'agit d'une technologie neutre en carbone car elle n'entraîne aucune émission de dioxyde de carbone supplémentaire au-delà des plages initialement incorporées lors de la combustion de la biomasse végétale.
• L'acceptation sociale est élevée et c'est esthétiquement agréable.
• En plus de s'attaquer au problème de l'élimination des substances toxiques de l'environnement, cette technique peut également être utilisée pour récupérer des métaux commercialement importants du sol.
• La biomasse végétale peut également être utilisée pour produire de l'énergie, ce qui en fait une technologie lucrative.
• Une telle technique peut être utilisée pour dépolluer les métaux, solvants, pesticides, huile brute, hydrocarbures poly aromatiques, Lixiviat d'enfouissement, et explosifs.

Inconvénients de la phytoremédiation

• Étant donné que des niveaux élevés de pollution de la toxicité sont induits dans les cellules végétales, entraver la croissance des plantes, cette technique peut être utilisée au mieux sur des sites présentant des niveaux de contamination faibles ou modérés.
• Le processus est extrêmement chronophage.
• Les espèces végétales hyperaccumulatrices ont une capacité limitée à absorber les contaminants du sol en raison de leur faible biomasse et de leur faible taux de croissance.
• Un processus mal géré peut préparer le terrain pour l'entrée de composés toxiques dans la chaîne alimentaire.
• Les ions métalliques étroitement liés ont une biodisponibilité limitée, limiter leur suppression.