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16.6 : Bioremédiation microbienne - Biologie

16.6 : Bioremédiation microbienne - Biologie


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16.6 : Bioremédiation microbienne

Stratégies alternatives pour la remédiation microbienne des polluants via la biologie synthétique

La contamination continue de l'environnement par les xénobiotiques et les composés récalcitrants apparentés est devenue une grave menace de pollution. La biorestauration est la clé pour éliminer les contaminants persistants de l'environnement. Les procédés traditionnels de bioremédiation montrent des limites, il est donc nécessaire de découvrir de nouvelles technologies de bioremédiation pour de meilleurs résultats. Dans cette revue, nous proposons un aperçu des stratégies alternatives de bioremédiation via la biologie synthétique, y compris l'exploration des conditions préalables à l'analyse des données de recherche pour le développement de modèles biologiques synthétiques de bioremédiation microbienne. De plus, la coordination cellulaire dans la communauté microbienne synthétique, la signalisation cellulaire et la détection de quorum conçues pour des stratégies de bioremédiation améliorées sont décrites, ainsi que des outils d'édition de gènes prometteurs pour obtenir l'hôte avec des séquences de gènes cibles responsables de la dégradation des composés récalcitrants. Le circuit génétique synthétique et les biocapteurs microbiens basés sur le système de régulation à deux composants (TCRS) pour la détection et la bioremédiation sont également brièvement expliqués. Ces développements devraient augmenter l'efficacité des stratégies de bioremédiation pour de meilleurs résultats.

Mots clés: bioremédiation biocapteur circuit génétique biologie synthétique xénobiotiques.

Copyright © 2020 Jaiswal et Shukla.

Les figures

Les stratégies de la biologie synthétique…

Les stratégies de biologie synthétique applicables à la bioremédiation.

Les composants et leur construction…

Les composants et leurs éléments de construction de biologie synthétique pour les études de bioremédiation.

Présentation schématique (UNE) intracellulaire et…

Présentation schématique (UNE) production d'enzymes intracellulaires et extracellulaires (B) Biocapteur basé sur le TCRS.


16.6 : Bioremédiation microbienne - Biologie

Expliquez comment les procaryotes sont utilisés pour répondre aux besoins de la société humaine.

Les procaryotes sont utiles pour nettoyer les contaminants dans l'environnement car les procaryotes ont une grande diversité nutritionnelle, sont rapidement adaptables et peuvent former des biofilms.

La biorestauration est l'utilisation d'organismes pour éliminer les polluants du sol, de l'air ou de l'eau.

Les décomposeurs procaryotes sont les piliers des installations de traitement des eaux usées. Les eaux usées brutes sont les premières passées à travers une série de tamis et de broyeurs. Les matières solides se déposent des déchets liquides, formant des boues. Les boues sont progressivement ajoutées à une culture de procaryotes anaérobies, comprenant des bactéries et des archées. Les microbes décomposent la matière organique en matière qui peut être mise en décharge ou utilisée comme engrais.

Les déchets liquides sont traités séparément des boues. Les déchets liquides sont pulvérisés sur un épais lit de roches. Les biofilms de bactéries aérobies et de champignons poussant sur les roches enlèvent une grande partie de la matière organique dissoute. Le fluide qui s'écoule des roches est stérilisé puis libéré, généralement dans une rivière ou un océan.

La bioremédiation devient un outil important pour nettoyer les produits chimiques toxiques rejetés dans le sol et l'eau par les procédés industriels.

Les ingénieurs environnementaux modifient l'environnement naturel pour accélérer l'activité des procaryotes naturels capables de métaboliser les polluants.


Bioremédiation par les microbes : approche biologie des systèmes et ingénierie métabolique

Aujourd'hui, la pollution de l'environnement est un problème grave et la biorestauration peut jouer un rôle important dans le nettoyage des sites contaminés. Les stratégies d'assainissement, telles que les approches chimiques et physiques, ne suffisent pas à atténuer les problèmes de pollution en raison de la génération continue de nouveaux polluants récalcitrants dus aux activités anthropiques. La bioremédiation à l'aide de microbes est une alternative écologique et socialement acceptable aux approches de remédiation conventionnelles. De nombreux microbes ayant un potentiel de bioremédiation ont été isolés et caractérisés mais, dans de nombreux cas, ne peuvent pas complètement dégrader le polluant ciblé ou sont inefficaces dans des situations de mélange de déchets. Cette revue envisage des avancées en biologie des systèmes (SB), qui permettent l'analyse du comportement microbien au niveau de la communauté sous différents stress environnementaux. En appliquant une approche SB, des informations préliminaires cruciales peuvent être obtenues pour l'ingénierie métabolique (ME) des microbes pour leurs capacités de bioremédiation améliorées. Cette revue met également en évidence les outils et techniques intégrés SB et ME à des fins de bioremédiation.

Mots clés: Bioremédiation CRISPR-Cas édition de gènes biologie des systèmes d'ingénierie métabolique.


Le rôle des micro-organismes dans la bioremédiation - Une revue

La biorestauration est un mécanisme biologique de recyclage des déchets sous une autre forme qui peut être utilisée et réutilisée par d'autres organismes. De nos jours, le monde est confronté au problème de différentes pollutions environnementales. Les micro-organismes sont essentiels pour une solution alternative clé pour surmonter les défis. Les micro-organismes survivent partout dans la biosphère en raison de leur activité métabolique étonnante, puis apparaissent dans toutes les conditions environnementales. La capacité nutritionnelle des micro-organismes est complètement variée, elle est donc utilisée comme bioremédiation des polluants environnementaux. La bioremédiation est fortement impliquée dans la dégradation, l'éradication, l'immobilisation ou la détoxification de divers déchets chimiques et matières physiques dangereuses de l'environnement par le biais de l'action globale et des micro-organismes. Le principe de base est de dégrader et de transformer les polluants tels que les hydrocarbures, le pétrole, les métaux lourds, les pesticides, les colorants, etc. Cela est effectué de manière enzymatique par métabolisation, il a donc un rôle de contribution importante pour résoudre de nombreux problèmes environnementaux. Il existe deux types de facteurs: les conditions biotiques et abiotiques déterminent le taux de dégradation. Actuellement, différentes méthodes et stratégies sont appliquées dans la région dans différentes parties du monde. Par exemple, la biostimulation, la bioaugementation, la bioventilation, les biopiles et la bioatténuation sont courantes. Toutes les techniques de bioremédiation ont leurs propres avantages et inconvénients car elles ont leur propre application spécifique.

Texte de l'article principal

Introduction

Les micro-organismes sont largement distribués dans la biosphère en raison de leur capacité métabolique très impressionnante et ils peuvent facilement se développer dans un large éventail de conditions environnementales. La polyvalence nutritionnelle des micro-organismes peut également être exploitée pour la biodégradation des polluants. Ce type de processus est appelé bioremédiation. Elle se poursuit en se basant sur la capacité de certains micro-organismes à convertir, modifier et utiliser des polluants toxiques afin d'obtenir une production d'énergie et de biomasse dans le processus [1]. Au lieu de simplement collecter le polluant et de le stocker, la biorestauration est une activité procédurale microbiologique bien organisée qui est appliquée pour décomposer ou transformer les contaminants en des formes élémentaires et composées moins toxiques ou non toxiques. Les bioremédiateurs sont des agents biologiques utilisés pour la bioremédiation afin de nettoyer les sites contaminés. Les bactéries, les archées et les champignons sont des bioremédiateurs typiques [2]. L'application de la biorestauration en tant que processus biotechnologique impliquant des micro-organismes pour résoudre et éliminer les dangers de nombreux polluants par biodégradation de l'environnement. Les termes de biorémidation et de biodégradation sont des mots plus interchangeables. Les micro-organismes agissent comme d'importants outils d'élimination des polluants dans le sol, l'eau et les sédiments, principalement en raison de leur avantage par rapport aux autres protocoles de procédure d'assainissement. Les micro-organismes restaurent l'environnement naturel d'origine et empêchent une nouvelle pollution [3]. L'objectif de l'examen est d'exprimer la tendance actuelle de l'application/du rôle des micro-organismes dans la bioremédiation et de contribuer à un contexte pertinent qui identifie les lacunes dans ce domaine thématique. À l'heure actuelle, il s'agit d'un domaine de recherche brûlant, car les micro-organismes sont un matériel génétique précieux et respectueux de l'environnement pour résoudre les menaces environnementales.

Facteurs affectant la bioremédiation microbienne

La biorestauration est impliquée dans la dégradation, l'élimination, la modification, l'immobilisation ou la détoxification de divers produits chimiques et déchets physiques de l'environnement par l'action de bactéries, de champignons et de plantes. Les micro-organismes impliqués par leurs voies enzymatiques agissent comme des biocatalyseurs et facilitent la progression des réactions biochimiques qui dégradent le polluant recherché. Les micro-organismes n'agissent contre les polluants que lorsqu'ils ont accès à une variété de composés de matériaux pour les aider à générer de l'énergie et des nutriments pour construire plus de cellules. L'efficacité de la bioremédiation dépend de nombreux facteurs, notamment la nature chimique et la concentration des polluants, les caractéristiques physico-chimiques de l'environnement et leur disponibilité pour les micro-organismes [4]. La raison du taux de dégradation est affectée par le fait que les bactéries et les polluants ne se contactent pas. De plus, les microbes et les polluants ne sont pas uniformément répartis dans l'environnement. Le contrôle et l'optimisation des processus de bioremédiation est un système complexe en raison de nombreux facteurs. Ces facteurs sont inclus ici : l'existence d'une population microbienne capable de dégrader les polluants, la disponibilité des contaminants pour la population microbienne et les facteurs environnementaux (type de sol, température, pH, présence d'oxygène ou d'autres accepteurs d'électrons, et nutriments) .

Facteurs biologiques

Des facteurs biotiques affectent la dégradation des composés organiques via la compétition entre les micro-organismes pour des sources de carbone limitées, les interactions antagonistes entre les micro-organismes ou la prédation des micro-organismes par les protozoaires et les bactériophages. Le taux de dégradation du contaminant dépend souvent de la concentration du contaminant et de la quantité de « catalyseur » présent. Dans ce contexte, la quantité de « catalyseur » représente le nombre d'organismes capables de métaboliser le contaminant ainsi que la quantité d'enzyme(s) produite(s) par chaque cellule. L'expression d'enzymes spécifiques par les cellules peut augmenter ou diminuer la vitesse de dégradation des contaminants. En outre, la mesure dans laquelle les enzymes spécifiques du métabolisme du contaminant doivent être impliquées et leur « affinité » pour le contaminant ainsi que la disponibilité du contaminant sont largement nécessaires. Les principaux facteurs biologiques sont inclus ici : mutation, transfert horizontal de gènes, activité enzymatique, interaction (compétition, succession et prédation), sa propre croissance jusqu'à ce que la biomasse critique soit atteinte, taille et composition de la population [5,6].

Facteurs environnementaux

Les caractéristiques métaboliques des micro-organismes et les propriétés physico-chimiques des contaminants ciblés déterminent les interactions possibles au cours du processus. L'interaction réussie réelle entre les deux dépend cependant des conditions environnementales du site de l'interaction. La croissance et l'activité des micro-organismes sont affectées par le pH, la température, l'humidité, la structure du sol, la solubilité dans l'eau, les nutriments, les caractéristiques du site, le potentiel redox et la teneur en oxygène, le manque de ressources humaines formées dans ce domaine et la biodisponibilité physico-chimique des polluants (concentration de contaminants, type, solubilité, structure chimique et toxicité). Ces facteurs énumérés ci-dessus déterminent la cinétique de dégradation [5,7]. La biodégradation peut se produire dans une large gamme de pH, cependant, un pH de 6,5 à 8,5 est généralement optimal pour la biodégradation dans la plupart des systèmes aquatiques et terrestres. L'humidité influence le taux de métabolisme des contaminants car elle influence le type et la quantité de matières solubles disponibles ainsi que la pression osmotique et le pH des systèmes terrestres et aquatiques [8]. La plupart des facteurs environnementaux sont énumérés ci-dessous.

Disponibilité des nutriments

L'ajout de nutriments ajuste l'équilibre des nutriments essentiels pour la croissance et la reproduction microbiennes, tout en ayant un impact sur le taux et l'efficacité de la biodégradation. L'équilibrage des nutriments, en particulier l'apport de nutriments essentiels tels que N et P, peut améliorer l'efficacité de la biodégradation en optimisant le rapport C: N: P bactérien. Pour survivre et poursuivre leurs activités microbiennes, les micro-organismes ont besoin d'un certain nombre de nutriments tels que le carbone, l'azote et le phosphore. En petites concentrations, l'étendue de la dégradation des hydrocarbures est également limitée. L'ajout d'une quantité appropriée de nutriments est une stratégie favorable pour augmenter l'activité métabolique des micro-organismes et donc le taux de biodégradation dans les environnements froids [9,10]. La biodégradation en milieu aquatique est limitée par la disponibilité des nutriments [11]. Tout comme les besoins nutritionnels d'autres organismes, les microbes oléagineux ont également besoin de nutriments pour une croissance et un développement optimaux. Ces nutriments sont disponibles dans le milieu naturel mais sont présents en faible quantité [12].

Température

Parmi les facteurs physiques, la température est le plus important pour déterminer la survie des micro-organismes et la composition des hydrocarbures [13]. Dans les environnements froids comme l'Arctique, la dégradation du pétrole par des processus naturels est très lente et met les microbes sous plus de pression pour nettoyer le pétrole déversé. La température inférieure à zéro de l'eau dans cette région provoque la fermeture des canaux de transport au sein des cellules microbiennes ou peut même geler l'ensemble du cytoplasme, rendant ainsi la plupart des microbes oléophiles métaboliquement inactifs [12,14]. Les enzymes biologiques qui participent à la voie de dégradation ont une température optimale et n'auront pas le même renouvellement métabolique pour chaque température. De plus, le processus de dégradation d'un composé spécifique nécessite une température spécifique. La température accélère ou ralentit également le processus de bioremédiation car elle influence fortement les propriétés physiologiques microbiennes. Le taux d'activités microbiennes augmente avec la température et atteint son niveau maximum à une température optimale. Il a décliné soudainement avec une augmentation ou une diminution supplémentaire de la température et s'est finalement arrêté après avoir atteint une température spécifique.

Concentration d'oxygène

Différents organismes ont besoin d'oxygène, d'autres n'en ont pas besoin en raison de leurs besoins, ce qui facilite le taux de biodégradation d'une meilleure manière. La dégradation biologique s'effectue dans des conditions aérobies et anaérobies, car l'oxygène est un besoin gazeux pour la plupart des organismes vivants. La présence d'oxygène dans la plupart des cas peut améliorer le métabolisme des hydrocarbures [12].

Teneur en humidité

Les micro-organismes ont besoin d'une quantité suffisante d'eau pour accomplir leur croissance. La teneur en humidité du sol a un effet néfaste sur les agents de biodégradation.

pH du composé qui est la nature de l'acidité, de la basicité et de l'alcalinité du composé, il a son propre impact sur l'activité métabolique microbienne et augmente et diminue également le processus d'élimination. La mesure du pH dans le sol pourrait indiquer le potentiel de croissance microbienne [15]. Des valeurs de pH plus élevées ou plus basses ont montré des résultats inférieurs. Les processus métaboliques sont très sensibles à même de légers changements de pH [16].

Caractérisation et sélection du site

Des travaux d'investigation correctifs suffisants doivent être effectués avant de proposer une mesure corrective de biorestauration pour caractériser adéquatement l'ampleur et l'étendue de la contamination. Ce travail doit au minimum englober les facteurs suivants : déterminer pleinement l'étendue horizontale et verticale de la contamination, énumérer les paramètres et les emplacements à échantillonner et la justification de leur choix, décrire les méthodes à utiliser pour l'acquisition des échantillons et l'analyse à effectuer .

Ions métalliques

Les métaux sont importants en petite quantité pour les bactéries et les champignons, mais en grande quantité inhibent l'activité métabolique des cellules. Les composés métalliques ont un impact direct et indirect sur le taux de dégradation.

Composés toxiques

En cas de concentrations élevées, la nature toxique de certains contaminants peut créer des effets toxiques pour les micro-organismes et ralentir la décontamination. Le degré et les mécanismes de toxicité varient selon les toxiques spécifiques, leur concentration et les micro-organismes exposés. Certains composés organiques et inorganiques sont toxiques pour les formes de vie ciblées [5].

Principe de la bioremédiation

La biorestauration est définie comme le processus par lequel les déchets organiques sont biologiquement dégradés dans des conditions contrôlées jusqu'à un état inoffensif ou à des niveaux inférieurs aux limites de concentration établies par les autorités réglementaires. Les micro-organismes sont adaptés à la tâche de destruction des contaminants car ils possèdent des enzymes qui leur permettent d'utiliser les contaminants environnementaux comme aliment. L'objectif de la bioremédiation est de les encourager à travailler en fournissant des niveaux optimaux de nutriments et d'autres produits chimiques essentiels à leur métabolisme afin de dégrader/détoxifier les substances dangereuses pour l'environnement et les êtres vivants. Toutes les réactions métaboliques sont médiées par des enzymes. Celles-ci appartiennent aux groupes des oxydoréductases, hydrolases, lyases, transférases, isomérases et ligases. De nombreuses enzymes ont une capacité de dégradation remarquablement large en raison de leur affinité de substrat non spécifique et spécifique. Pour que la bioremédiation soit efficace, les micro-organismes doivent attaquer par voie enzymatique les polluants et les convertir en produits inoffensifs. Comme la bioremédiation ne peut être efficace que lorsque les conditions environnementales permettent la croissance et l'activité microbiennes, son application implique souvent la manipulation de paramètres environnementaux pour permettre à la croissance et à la dégradation microbiennes de se dérouler à un rythme plus rapide [17].

La bioremédiation se fait naturellement et est encouragée avec en plus des êtres vivants et des engrais. La technologie de bioremédiation est principalement basée sur la biodégradation. Il fait référence à l'élimination complète des polluants organiques toxiques dans des composés inoffensifs ou naturels comme le dioxyde de carbone, l'eau, les composés inorganiques qui sont sans danger pour la vie humaine, animale, végétale et aquatique [18]. De nombreux mécanismes et voies ont été élucidés pour la biodégradation d'une grande variété de composés organiques, par exemple, elle est complétée en présence et en absence d'oxygène.

L'avantage de la bioremédiation

• C'est un processus naturel, cela prend un peu de temps, en tant que processus de traitement des déchets acceptable pour les matériaux contaminés tels que le sol. Des microbes capables de dégrader le contaminant et d'augmenter en nombre lorsque le contaminant est présent. Lorsque le contaminant est dégradé, la population biodégradable diminue. Les résidus pour le traitement sont généralement des produits inoffensifs, notamment du dioxyde de carbone de l'eau et de la biomasse cellulaire.

• Elle nécessite très peu d'efforts et peut souvent être réalisée sur site, souvent sans provoquer de perturbation majeure des activités normales. Cela élimine également le besoin de transporter des quantités de déchets hors du site et les menaces potentielles pour la santé humaine et l'environnement qui peuvent survenir pendant le transport.

• Il est appliqué dans un processus rentable car il a perdu moins que les autres méthodes conventionnelles (technologies) qui sont utilisées pour le nettoyage des déchets dangereux. Méthode importante pour le traitement des sites contaminés par les hydrocarbures [19].

• Cela contribue également à la destruction complète des polluants, de nombreux composés dangereux peuvent être transformés en produits inoffensifs, et cette caractéristique élimine également le risque de responsabilité future associée au traitement et à l'élimination des matériaux contaminés.

• Il n'utilise aucun produit chimique dangereux. Les nutriments, en particulier les engrais, sont ajoutés pour favoriser une croissance microbienne active et rapide. Communément utilisé sur les pelouses et les jardins. En raison de la bioremédiation qui transforme les produits chimiques nocifs en eau et en gaz inoffensifs, les produits chimiques nocifs sont complètement détruits [20].

• Simples, nécessitant moins de main-d'œuvre et bon marché en raison de leur rôle naturel dans l'environnement.

• Écologique et durable [21].

• Les contaminants sont détruits, pas simplement transférés vers différents milieux environnementaux.

• Non intrusif, permettant potentiellement une utilisation continue du site.

• Relative facilité de mise en œuvre [17].

• Un moyen efficace d'assainir l'écosystème naturel d'un certain nombre de contaminants et d'agir comme des options respectueuses de l'environnement [22].

L'inconvénient de la bioremédiation

• Elle est limitée aux composés biodégradables. Tous les composés ne sont pas sensibles à une dégradation rapide et complète.

• Certains craignent que les produits de biodégradation soient plus persistants ou toxiques que le composé d'origine.

• Les processus biologiques sont souvent très spécifiques. Les facteurs de site importants requis pour le succès comprennent la présence de populations microbiennes métaboliquement capables, des conditions de croissance environnementales appropriées et des niveaux appropriés de nutriments et de contaminants.

• Il est difficile d'extrapoler des études en laboratoire et à l'échelle pilote à des opérations sur le terrain à grande échelle.

• Des recherches sont nécessaires pour développer et mettre au point des technologies de biorestauration appropriées pour les sites contenant des mélanges complexes de contaminants qui ne sont pas uniformément dispersés dans l'environnement. Les contaminants peuvent être présents sous forme de solides, de liquides et de gaz.

• Cela prend souvent plus de temps que d'autres options de traitement, telles que l'excavation et l'enlèvement du sol ou l'incinération.

• L'incertitude réglementaire persiste concernant les critères de performance acceptables pour la biorestauration. Il n'y a pas de définition acceptée de « propre », l'évaluation des performances de la bioremédiation est difficile.

Micro-organismes et polluants (tableaux 1-5)
Tableau 1: Interaction entre les micro-organismes et les hydrocarbures (composé organique).
Micro-organismes Composé Référence
Pénicillium chrysogenum Hydrocarbures aromatiques monocycliques, benzène, toluène, éthylbenzène et xylène, composés phénoliques [23,24]
P. alcaligenes P. mendocina et P. putida P. veronii, Achromobacter, Flavobacterium, Acinetobacter Essence et diesel Hydrocarbures aromatiques polycycliques Toluène [25,26]
Pseudomonas putida Hydrocarbures aromatiques monocycliques, par ex. benzène et xylène. [25,27]
Phanérochaète chrysosporium Biphényle et triphénylméthane [28]
A. niger, A. fumigatus, F. solani et P. funiculosum Hydrocarbure [29]
Coprinellus radians HAP, méthylnaphtalènes et dibenzofuranes [30]
Alcaligenes odorans, Bacillus subtilis, Corynebacterium propinquum, Pseudomonas aeruginosa phénol [22]
Tyromyces palustris, Gloeophyllum trabeum, Trametes versicolor hydrocarbures [31]
Candida viswanathii Phénanthrène, benzopyrène [32]
cyanobactéries, algues vertes et diatomées et Bacillus licheniformis naphtalène [33,34]
Acinetobacter sp., Pseudomonas sp., Ralstonia sp. et Microbacterium sp, Hydrocarbures aromatiques [35]
Gleophyllum striatum striatum Pyrène, anthracène, 9-métil anthracène, Dibenzothiophène Lignine peroxydasse [36]
Acinetobacter sp., Pseudomonas sp., Ralstonia sp. et Microbacterium sp, Hydrocarbures aromatiques [35]
Gleophyllum striatum striatum Pyrène, anthracène, 9-métil anthracène, Dibenzothiophène Lignine peroxydasse [36]
Acinetobacter sp., Pseudomonas sp., Ralstonia sp. et Microbacterium sp, Hydrocarbures aromatiques [35]
Gleophyllum striatum striatum Pyrène, anthracène, 9-métil anthracène, Dibenzothiophène Lignine peroxydasse [36]
Tableau 2: Groupes de micro-organismes importants pour la biorestauration du pétrole.
Micro-organismes Composé Référence
Fusariumsp. huile [37]
Alcaligenes odorans, Bacillus subtilis, Corynebacterium propinquum, Pseudomonas aeruginosa huile [22]
Bacillus cereus A diesel [38]
Aspergillus niger, Candida glabrata, Candida krusei et Saccharomyces cerevisiae huile brute [39]
B. brevis, P. aeruginosa KH6, B. licheniformis et B. sphaericus huile brute [40]
Pseudomonas aeruginosa, P. putida, Arthobacter sp et Bacillus sp diesel [41]
Pseudomonas cepacia, Bacillus cereus, Bacillus coagulans, Citrobacter koseri et Serratia ficaria gasoil, pétrole brut [42]
Tableau 3: Exemples représentatifs de la plupart des micro-organismes dominants dans l'implication de la biorestauration des colorants.
Micro-organismes Composé Référence
B. subtilis souche NAP1, NAP2, NAP4 peintures à l'huile [43]
Myrothecium roridum IM 6482 colorants industriels [44-46]
Pycnoporus sanguineous, Phanerochaete chrysosporium et Trametes trogii colorants industriels [47]
Pénicillium ochrochloron colorants industriels [48]
Micrococcus luteus, Listeria denitrificans et Nocardia atlantica Teintures azoïques textiles [49]
Bacillus spp. ETL-2012, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus pumilus HKG212 Colorant textile (Remazol Black B), Colorant diazoïque sulfoné Reactive Red HE8B, Colorant RNB [50-52]
Exiguobacterium indicum, Exiguobacterium aurantiacums, Bacillus cereus et Acinetobacter baumanii effluents de colorants azoïques [88]
Bacillus firmus, Bacillus macerans, Staphylococcus aureus et Klebsiella oxytoca colorants de cuve, Effluents textiles [53]
Tableau 4: Les micro-organismes servent à l'utilisation des métaux lourds.
Micro-organismes Composé Référence
Saccharomyces cerevisiae Métaux lourds, plomb, mercure et nickel [55-57]
Cunninghamella elegans Métaux lourds [58]
Pseudomonas fluorescenset Pseudomonas aeruginosa Fe 2+, Zn2+, Pb2+, Mn2+ et Cu2 [59]
Lysinibacillus sphaericusCBAM5 cobalt, cuivre, chrome et plomb [60]
Microbactérie profonde souche Shh49T Fe [61]
Aspergillus versicolor, A. fumigatus, Paecilomyces sp., Paecilomyces sp., Térichodermie sp., Microsporum sp., Cladosporium sp. cadmium [62]
Géobactérie spp. Fe (III), U (VI) [63]
Bacillus safensis (JX126862) souche (PB-5 et RSA-4) Cadmium [64]
Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas sp. U, Cu, Ni, Cr [65]
Aérocoquesp., Rhodopseudomonas palustris Pb, Cr, Cd [66,67]
Tableau 5: Agents biologiques potentiels pour les pesticides.
Micro-organismes Composé Référence
Bacille, Staphylocoque Endosulfan [68]
Enterobacter Chlorpyrifos [69]
Pseudomonas putida, Acinetobacter sp., Arthrobacter sp. Ridomil MZ 68 MG, Fitoraz WP 76, Decis 2.5 EC, malation [70,71]
Acenetobacter sp., Pseudomonas sp., Enterobacter sp. et Photobacterium sp. chlorpyrifos et méthyl parathion [72]

Les métaux lourds ne peuvent pas être détruits biologiquement (« aucune dégradation », des changements se produisent dans la structure nucléaire de l'élément), mais seulement transformés d'un état d'oxydation ou d'un complexe organique à un autre. En outre, les bactéries sont également efficaces dans la biorestauration des métaux lourds. Les micro-organismes ont développé la capacité de se protéger de la toxicité des métaux lourds par divers mécanismes, tels que l'adsorption, l'absorption, la méthylation, l'oxydation et la réduction. Le micro-organisme absorbe les métaux lourds de manière active (bioaccumulation) et/ou passive (adsorption). La méthylation microbienne joue un rôle important dans la biorestauration des métaux lourds, car les composés méthylés sont fréquemment volatils. Par exemple, le mercure, Hg (II) peut être biométhylé par un certain nombre d'espèces bactériennes différentes Alcaligenes faecalis, Bacillus pumilus, Bacillus sp., P. aeruginosa et Brevibacterium iodinium en méthylmercure gazeux [54].

Types de bioremédiation

Il existe différents types de technologies ou de techniques de traitement dans le cadre des processus de bioremédiation. Les méthodes de bioremédiation de base sont : la biostimulation, l'atténuation, l'augmentation, la ventilation et les tas.

Biostimulation

Ce type de stratégie est lié par l'injection de nutriments spécifiques sur le site (sol/eaux souterraines) pour stimuler l'activité des micro-organismes indigènes. Il se concentre sur la stimulation de la communauté de bactéries et de champignons indigènes ou naturellement existants. Premièrement, en fournissant des engrais, des suppléments de croissance et des oligo-éléments. Deuxièmement, en fournissant d'autres exigences environnementales telles que le pH, la température et l'oxygène pour accélérer leur taux de métabolisme et leur voie [7,17]. La présence d'une petite quantité de polluant peut également agir comme un stimulant en activant les opérons des enzymes de bioremédiation. Ce type de voie stratégique est la plupart du temps poursuivi par l'ajout de nutriments et d'oxygène pour aider les micro-organismes indigènes. Ces nutriments sont les éléments de base de la vie et permettent aux microbes de créer les besoins de base, par exemple, l'énergie, la biomasse cellulaire et les enzymes pour dégrader le polluant. Tous auront besoin d'azote, de phosphore et de carbone [5].

Bioatténuation [Atténuation naturelle]

La bioatténuation ou atténuation naturelle est l'éradication des concentrations de polluants de l'environnement. Elle est réalisée avec des processus biologiques, elle peut inclure (biodégradation aérobie et anaérobie, absorption végétale et animale), des phénomènes physiques (advection, dispersion, dilution, diffusion, volatilisation, sorption/désorption) et des réactions chimiques (échange d'ions, complexation, transformation abiotique). Des termes tels que la remédiation intrinsèque ou la biotransformation sont inclus dans la définition plus générale de l'atténuation naturelle [73].

Lorsque l'environnement est pollué par des produits chimiques, la nature peut travailler de quatre manières pour nettoyer [74] : 1) Les petits insectes ou microbes qui vivent dans le sol et les eaux souterraines utilisent certains produits chimiques pour se nourrir. Lorsqu'ils digèrent complètement les produits chimiques, ils peuvent les transformer en eau et en gaz inoffensifs. 2) Les produits chimiques peuvent coller ou se sorber au sol, ce qui les maintient en place. Cela ne nettoie pas les produits chimiques, mais cela peut les empêcher de polluer les eaux souterraines et de quitter le site. 3) Au fur et à mesure que la pollution se déplace dans le sol et les eaux souterraines, elle peut se mélanger à l'eau propre. Cela réduit ou dilue la pollution. 4) Certains produits chimiques, comme le pétrole et les solvants, peuvent s'évaporer, ce qui signifie qu'ils passent de liquides à gazeux dans le sol. Si ces gaz s'échappent dans l'air à la surface du sol, la lumière du soleil peut les détruire. Si l'atténuation naturelle n'est pas assez rapide ou complète, la bioremédiation sera améliorée soit par biostimulation, soit par bioaugmentation.

Bioaugmentation

C'est l'un des mécanismes de biodégradation. L'ajout de micro-organismes dégradant les polluants (naturels/exotiques/modifiés) pour augmenter la capacité de biodégradation des populations microbiennes indigènes sur la zone contaminée, ce processus est connu sous le nom de bioaugmentation. Afin d'augmenter rapidement la croissance de la population de micro-organismes naturels et d'améliorer la dégradation qui se nourrissent préférentiellement du site des contaminants. Les microbes sont collectés sur le site d'assainissement, cultivés séparément, génétiquement modifiés et renvoyés sur le site. Pour convaincre, tous les micro-organismes essentiels se trouvent dans ces sites où le sol et les eaux souterraines sont contaminés par des éthènes chlorés, comme le tétrachloroéthylène et le trichloréthylène. Il est utilisé pour s'assurer que les micro-organismes in situ peuvent totalement éliminer et altérer ces contaminants en éthylène et chlorure, qui sont non toxiques [75].

La bioaugmentation est le processus d'ajout de microbes modifiés dans un système qui agissent comme des bioremédiateurs afin d'éliminer rapidement et totalement les polluants complexes. De plus, des micro-organismes génétiquement modifiés montrent et prouvent qu'ils peuvent augmenter l'efficacité de dégradation d'un large éventail de polluants environnementaux. En raison du profil métabolique diversifié pour se transformer en produits finaux moins complexes et inoffensifs [76-78]. Les espèces naturelles ne sont pas assez rapides pour décomposer certains composés, donc pour faciliter la modification génétique par manipulation de l'ADN, les microbes génétiquement modifiés agissent comme des polluants beaucoup plus rapidement que les espèces naturelles et rivalisent fortement avec les espèces indigènes, les prédateurs et divers facteurs abiotiques. Les micro-organismes génétiquement modifiés ont montré un potentiel de biorestauration du sol, des eaux souterraines et des boues activées, présentant les capacités de dégradation améliorées d'une large couverture de polluants chimiques et physiques [79, 80].

Micro-organismes génétiquement modifiés (GEM)

Un micro-organisme génétiquement modifié est un micro-organisme dont le matériel génétique a déjà été modifié en appliquant des techniques de génie génétique inspirées d'échanges génétiques naturels ou artificiels entre micro-organismes. Ce type de travail artistique et de procédure scientifique est principalement appelé technologie de l'ADN recombinant. Le génie génétique a amélioré l'utilisation et l'élimination des déchets dangereux indésirables dans des conditions de laboratoire en créant des organismes génétiquement modifiés [81]. Organismes vivants recombinants pouvant être obtenus par des techniques d'ADN recombinant ou par échange de matériel génétique naturel entre organismes. Actuellement capable d'insérer le gène approprié pour une production d'enzyme particulière qui peut dégrader divers polluants [82].

Les micro-organismes génétiquement modifiés (GEM) ont montré un potentiel pour des applications de biorestauration dans les sols, les eaux souterraines et les environnements de boues activées, présentant des capacités de dégradation améliorées englobant un large éventail de contaminants chimiques. Récemment, un certain nombre d'opportunités se sont présentées pour améliorer les performances de dégradation en utilisant des stratégies de génie génétique. Par exemple, des étapes limitant la vitesse dans des voies métaboliques connues peuvent être génétiquement manipulées pour produire des taux de dégradation accrus, ou des voies métaboliques complètement nouvelles peuvent être incorporées dans des souches bactériennes pour la dégradation de composés auparavant récalcitrants. Dans les GEM, quatre activités/stratégies à réaliser sont : (1) la modification de la spécificité et de l'affinité enzymatique, (2) la construction et la régulation de voies, (3) le développement, la surveillance et le contrôle de bioprocédés, (4) la détection, la réduction de la toxicité et l'analyse du point final. Les gènes essentiels des bactéries sont portés sur un seul chromosome, mais les gènes spécifiant les enzymes nécessaires au catabolisme de certains de ces substrats inhabituels peuvent être portés sur des plasmides. Les plasmides ont été impliqués dans le catabolisme. Par conséquent, les GEM peuvent être utilisés efficacement à des fins de biodégradation et conduisent à représenter/indiquer une frontière de recherche avec de larges implications dans le futur [83].

Avantage des GEM en bioremédiation : la fonction principale est d'accélérer la récupération des sites pollués par les déchets, d'augmenter la dégradation des substrats, d'afficher une capacité catalytique ou d'utilisation élevée avec une petite quantité de masse cellulaire, de créer des conditions environnementales sûres et purifiées en décontaminant ou en neutralisant toute substance nocive.

Inconvénient des GEM en bioremédiation : Les inconvénients majeurs ne sont jamais effectués dans la procédure traditionnelle, dans certains cas la mort des cellules se produit, ayant un défi associé à leur libération dans l'environnement, à un niveau particulier, il a montré que le retard de croissance et la dégradation du substrat, les variations saisonnières et autres abiotiques la fluctuation des facteurs a un impact et une relation directs et indirects sur l'activité microbienne.

Bioventilation

La bioventilation est impliquée dans la ventilation de l'oxygène à travers le sol pour stimuler la croissance de bactéries et de champignons naturels ou introduits dans le sol en fournissant de l'oxygène aux micro-organismes existants du sol, en effet, elle est fonctionnelle dans les composés aérobies dégradables. La bioventilation utilise de faibles débits d'air pour fournir seulement assez d'oxygène pour maintenir l'activité microbienne. L'oxygène est le plus souvent fourni par injection directe d'air dans la contamination résiduelle du sol au moyen de puits. Les résidus de carburant adsorbés sont biodégradés, et les composés volatils sont également biodégradés lorsque les vapeurs se déplacent lentement à travers le sol biologiquement actif. La biorestauration efficace des sols contaminés par le pétrole à l'aide de la bioventilation a été prouvée par de nombreux chercheurs [84,85].

Biopiles

Les biopiles sont une voie d'excavation des sols contaminés par des hydrocarbures aérobies remédiables, pouvant être traités en « biopiles ». Les biopiles (également appelées biocellules, biotas, biomounds et tas de compost) sont utilisées pour réduire les concentrations de polluants pétroliers dans les sols excavés pendant la période de biodégradation. Dans ce processus, l'air est fourni au système de biopile au cours d'un système de canalisations et de pompes qui force l'air dans la pile sous pression positive ou aspire l'air à travers la pile sous pression négative [86]. L'activité microbienne est renforcée par la respiration microbienne puis le résultat de la dégradation du polluant pétrolier adsorbé est devenu élevé [87].

Conclusion

La biodégradation est une option très fructueuse et attrayante pour la technique d'assainissement, de nettoyage, de gestion et de récupération permettant de résoudre l'environnement pollué par l'activité microbienne. La vitesse de dégradation des déchets indésirables est déterminée en concurrence avec les agents biologiques, un apport insuffisant en nutriments essentiels, des conditions abiotiques externes inconfortables (aération, humidité, pH, température) et une faible biodisponibilité du polluant. En raison de ces facteurs, la biodégradation dans des conditions naturelles n'est pas plus réussie et est moins favorable. La biorestauration ne peut être efficace que lorsque les conditions environnementales permettent la croissance et l'activité microbiennes. La biorestauration a été utilisée dans différents sites dans le monde avec des degrés de succès variables. Principalement, les avantages sont supérieurs aux inconvénients, ce qui est évident par le nombre de sites qui choisissent d'utiliser cette technologie et sa popularité croissante au fil du temps. Généralement, différentes espèces sont explorées à partir de différents sites et elles sont efficaces dans le mécanisme de contrôle.


Biodégradation et bioremédiation (avec diagramme)

La biodégradation ou dégradation biologique est le phénomène de transformation biologique de composés organiques par des organismes vivants, en particulier les micro-organismes.

La biodégradation implique essentiellement la conversion de molécules organiques complexes en molécules plus simples (et pour la plupart non toxiques). Le terme biotransformation est utilisé pour la biodégradation incomplète des composés organiques impliquant une ou plusieurs réactions. La biotransformation est utilisée pour la synthèse de produits commercialement importants par des micro-organismes.

La biorestauration fait référence au processus d'utilisation de micro-organismes pour éliminer les polluants environnementaux, c'est-à-dire les déchets toxiques trouvés dans le sol, l'eau, l'air, etc. Les microbes servent de charognards dans la biorestauration. L'élimination des déchets organiques par les microbes pour le nettoyage de l'environnement est l'essence de la bioremédiation. Les autres noms utilisés (par certains auteurs) pour la bioremédiation sont le biotraitement, la bio-récupération et la bio-restauration.

Il est assez difficile d'établir une distinction entre biodégradation et bioremédiation. De plus, en biotechnologie, la plupart des réactions de biodégradation/bioremédiation impliquent des xénobiotiques.

Les xénobiotiques (xenos-foregin) font généralement référence aux produits chimiques non naturels, étrangers et synthétiques tels que les pesticides, les herbicides, les réfrigérants, les solvants et autres composés organiques.La dégradation microbienne des xénobiotiques prend de l'importance, car elle fournit un moyen efficace et économique d'éliminer les produits chimiques toxiques, en particulier les polluants environnementaux.

Pseudomonas - Le micro-organisme prédominant pour la bioremédiation :

Les membres du genre Pseudomonas (un micro-organisme du sol) sont les micro-organismes les plus prédominants qui dégradent les xénobiotiques. Différentes souches de Pseudomonas, capables de détoxifier plus de 100 composés organiques, ont été identifiées. Les exemples de composés organiques sont plusieurs hydrocarbures, phénols, organophosphates, polychlorobiphényles (PCB) et aromatiques polycycliques et naphtalène.

Environ 40 à 50 souches microbiennes de micro-organismes capables de dégrader les xénobiotiques ont été isolées. Outre Pseudomonas, d'autres bons exemples sont Mycobacterium, Alcaligenes et Nocardia. Une liste sélectionnée de micro-organismes et de xénobiotiques dégradés est donnée dans le tableau 59.1.

Consortiums de micro-organismes pour la biodégradation :

Une souche particulière de micro-organisme peut dégrader un ou plusieurs composés. Parfois, pour la dégradation d'un seul composé, l'action synergique de quelques micro-organismes (c'est-à-dire un consortium ou un cocktail de microbes) peut être plus efficace. Par exemple, l'insecticide parathion est plus efficacement dégradé par l'action combinée de Pseudomonas aeruginosa et Psudomonas stulzeri.

Co-métabolisme dans la biodégradation :

En général, le métabolisme (dégradation) des xénobiotiques n'est associé à aucun avantage pour le micro-organisme. C'est-à-dire que le polluant chimique ne peut pas servir de source de carbone ou d'énergie pour l'organisme. Le terme co-métabolisme est souvent utilisé pour indiquer les voies biochimiques non bénéfiques (pour le micro-organisme) concernées par la biodégradation des xénobiotiques. Cependant, le co-métabolisme dépend de la présence d'un substrat approprié pour le micro-organisme. De tels composés sont appelés co-substrats.

Facteurs affectant la biodégradation :

Plusieurs facteurs influencent la biodégradation. Ceux-ci incluent la nature chimique du xénobiotique, la capacité du micro-organisme individuel, des nutriments et de l'O2 alimentation, température, pH et potentiel redox. Parmi celles-ci, la nature chimique du substrat à dégrader est très importante.

Certaines des caractéristiques pertinentes sont indiquées ci-dessous :

je. En général, les composés aliphatiques sont plus facilement dégradés que les aromatiques.

ii. La présence de structures cycliques et de chaînes ou branches longues diminue l'efficacité de la biodégradation.

iii. Les composés hydrosolubles sont plus facilement dégradés.

iv. L'orientation moléculaire des composés aromatiques influence la biodégradation, c'est-à-dire ortho > para > meta.

v. La présence d'halogènes (dans les composés aromatiques) inhibe la biodégradation.

Outre les facteurs énumérés ci-dessus, il existe deux développements récents pour améliorer la biodégradation par les micro-organismes.

Il s'agit d'un processus par lequel l'activité microbienne peut être renforcée par un apport accru de nutriments ou par l'ajout de certains agents stimulants (accepteurs d'électrons, tensioactifs).

Il est possible d'augmenter la biodégradation par la manipulation des gènes. Plus de détails sur cette manipulation génétique, c'est-à-dire les micro-organismes génétiquement modifiés (GEM), sont décrits plus loin. La bio-augmentation peut également être réalisée en employant un consortium de micro-organismes.

Systèmes enzymatiques pour la biodégradation :

Plusieurs systèmes enzymatiques (avec des enzymes indépendantes qui travaillent ensemble) existent dans les micro-organismes pour la dégradation des xénobiotiques. Les gènes codant pour les enzymes des voies de biodégradation peuvent être présents dans l'ADN chromosomique ou plus fréquemment sur les plasmides. Chez certains micro-organismes, les gènes du chromosome et du plasmide contribuent aux enzymes de biodégradation. Le micro-organisme Pseudomonas occupe une place particulière dans la biodégradation.

Une liste sélectionnée de xénobiotiques et des plasmides contenant les gènes de leur dégradation est donnée dans le tableau 59.2.

Xénobiotiques récalcitrants:

Il existe certains composés qui ne se biodégradent pas facilement et qui persistent donc longtemps dans l'environnement (parfois des années). Ils sont étiquetés comme récalcitrants.

Plusieurs raisons peuvent expliquer la résistance des xénobiotiques à la dégradation microbienne :

je. Ils peuvent être chimiquement et biologiquement inertes (très stables).

ii. Absence de système enzymatique dans les micro-organismes pour la biodégradation.

iii. Ils ne peuvent pas entrer dans les micro-organismes étant de grosses molécules ou un manque de systèmes de transport.

iv. Les composés peuvent être hautement toxiques ou entraîner la formation de produits hautement toxiques qui tuent les micro-organismes.

Il existe un grand nombre de composés xénobiotiques racalcitrants, par ex. chloroforme, fréons, insecticides (DDT, lindane), herbicides (dalapon) et polymères synthétiques (plastiques, par exemple polystyrène, polyéthylène, polychlorure de vinyle).

Il faut environ 4 à 5 ans pour la dégradation du DDT (75 à 100 %) dans le sol. Un groupe de micro-organismes (Aspergillus flavus, Mucor aternans, Fusarium oxysporum et Trichoderma viride) sont associés à la lente biodégradation du DDT.

Le phénomène d'augmentation progressive de la concentration d'un composé xénobiotique au fur et à mesure que la substance passe dans la chaîne alimentaire est appelé bioamplification ou bioaccumulation. Par exemple, l'insecticide DDT est absorbé à plusieurs reprises par les plantes et les micro-organismes.

Lorsqu'ils sont mangés par les poissons et les oiseaux, ce pesticide étant récalcitrant, s'accumule et entre dans la chaîne alimentaire. Ainsi, le DDT peut trouver son entrée dans divers animaux, y compris l'homme. Le DDT affecte le système nerveux et a été interdit dans certains pays.

Types de bioremédiation:

L'aspect le plus important de la biotechnologie environnementale est la gestion efficace des polluants dangereux et toxiques (xénobiotiques) par bioremédiation. Le processus de dépollution de l'environnement par bioremédiation peut être réalisé de deux manières : bioremédiation in situ et ex situ.

Bioremédiation in situ:

La bioremédiation in situ implique une approche directe de la dégradation microbienne des xénobiotiques sur les sites de pollution (sols, nappes phréatiques). L'ajout de quantités adéquates de nutriments sur les sites favorise la croissance microbienne. Lorsque ces micro-organismes sont exposés à des xénobiotiques (polluants), ils développent une capacité métabolique à les dégrader.

La croissance des micro-organismes et leur capacité à provoquer une biodégradation dépendent de l'apport de nutriments essentiels (azote, phosphore…). La biorestauration in situ a été appliquée avec succès pour le nettoyage des déversements de pétrole, des plages, etc. Il existe deux types de biorestauration in situ : intrinsèque et technique.

Bioremédiation intrinsèque :

La capacité métabolique inhérente des micro-organismes à dégrader certains polluants est la bioremédiation intrinsèque. En fait, les micro-organismes peuvent être testés en laboratoire pour leur capacité naturelle de biodégradation et utilisés de manière appropriée.

Bioremédiation in situ conçue :

La capacité inhérente des micro-organismes à la bioremédiation est généralement lente et limitée. Cependant, en utilisant des moyens physico-chimiques adaptés (bon nutriment et O2 alimentation, ajout d'accepteurs d'électrons, température optimale), le processus de bioremédiation peut être conçu pour une dégradation plus efficace des polluants.

Avantages de la bioremédiation in situ :

1. Rentable, avec une exposition minimale au public ou au personnel du site.

2. Les sites de bioremédiation restent peu perturbés.

Inconvénients de la bioremédiation in situ :

1. Processus très long.

2. Les sites sont directement exposés aux facteurs environnementaux (température, O2 approvisionnement, etc.).

3. La capacité de dégradation microbienne varie selon les saisons.

Bioremédiation ex situ:

Les déchets ou les matières toxiques peuvent être collectés sur les sites pollués et la bioremédiation avec les micro-organismes requis (souvent un consortium d'organismes) peut être effectuée dans des endroits désignés. Ce processus est certainement une amélioration par rapport à la biorestauration in situ, et a été utilisé avec succès à certains endroits.

Avantages de la bioremédiation ex situ :

1. Processus mieux contrôlé et plus efficace.

2. Le processus peut être amélioré par enrichissement avec les micro-organismes souhaités.

Inconvénients de la bioremédiation ex situ :

2. Les sites de pollution sont fortement perturbés.

3. Il peut y avoir un problème d'élimination une fois le processus terminé.

Effets métaboliques des micro-organismes sur les xénobiotiques:

Bien qu'il soit dans l'intention du biotechnologue de dégrader les xénobiotiques par des micro-organismes au profit de l'environnement et de l'écosystème, cela n'est pas toujours possible. Cela est évident à partir des différents types d'effets métaboliques, comme indiqué ci-dessous.

Ce processus implique la conversion microbienne d'un composé toxique en un composé non toxique. La biodégradation impliquant la détoxification est très avantageuse pour l'environnement et la population.

Certains xénobiotiques non toxiques ou moins toxiques peuvent être transformés en produits toxiques ou plus toxiques. C'est dangereux.

Les composés complexes sont dégradés en produits plus simples qui sont généralement inoffensifs.

Le processus de conjugaison peut impliquer la conversion de xénobiotiques en composés plus complexes. Ce n'est cependant pas très courant.

Types de réactions en bioremédiation:

La dégradation microbienne des composés organiques implique principalement une dégradation aérobie, anaérobie et séquentielle.

Bioremédiation aérobie:

La biodégradation aérobie implique l'utilisation d'O2 pour l'oxydation des composés organiques. Ces composés peuvent servir de substrats pour l'apport de carbone et d'énergie aux microorganismes. Deux types d'enzymes, à savoir les mono-oxygénases et les di-oxygénases, sont impliqués dans la biodégradation aérobie. Les mono-oxygénases peuvent agir à la fois sur les composés aliphatiques et aromatiques, tandis que les di-oxygénases oxydent les composés aliphatiques.

Bioremédiation anaérobie:

La biodégradation anaérobie ne nécessite pas d'O2 la fourniture. La croissance des micro-organismes anaérobies (principalement présents dans les solides et les sédiments), et par conséquent les processus de dégradation sont lents. Cependant, la biodégradation anaérobie est rentable, car le besoin d'oxygène continu2 l'offre n'est pas là. Certaines des réactions anaérobies importantes et des exemples de composés organiques dégradés sont énumérés ci-dessous.

Hydrogénation et déshydrogénation — benzoate, phénol, catéchol.

Déshaïgénation — Biphényles polychlorés (PCB), éthylène chloré’s. Le terme déchloration est fréquemment utilisé pour la déshaiogénation des composés chlorés.

Carboxylation et décarboxylation — toluène, crésol et benzoate.

Bioremédiation séquentielle:

Dans la dégradation de plusieurs xénobiotiques, des processus aérobies et anaérobies sont impliqués. C'est souvent un moyen efficace de réduire la toxicité d'un polluant. Par exemple, le tétrachlorométhane et le tétrachloroéthane subissent une dégradation séquentielle.

Biodégradation des Hydrocarbures:

Les hydrocarbures sont principalement les polluants des raffineries de pétrole et des marées noires. Ces polluants peuvent être dégradés par un consortium ou un cocktail de micro-organismes, par ex. Pseudomonas, Corynebacterium, Arthrobacter, Mycobacterium et Nocardia.

Biodégradation des hydrocarbures aliphatiques:

L'absorption des hydrocarbures aliphatiques est un processus lent en raison de leur faible solubilité en milieu aqueux. Les processus aérobies et anaérobies sont tous deux opérationnels pour la dégradation des hydrocarbures aliphatiques. Par exemple, les hydrocarbures insaturés sont dégradés dans les environnements anaérobie et aérobie, tandis que les hydrocarbures saturés sont dégradés par un processus aérobie. Certains hydrocarbures aliphatiques qui résistent au processus aérobie sont efficacement dégradés dans un environnement anaérobie, par ex. composés aliphatiques chlorés (tétrachlorure de carbone, chlorure de méthyle, chlorure de vinyle).

Biodégradation des hydrocarbures aromatiques:

La dégradation microbienne des hydrocarbures aromatiques se produit par des processus aérobies et anaérobies. Le micro-organisme le plus important qui participe à ces processus est Pseudomonas.

La biodégradation des composés aromatiques implique essentiellement la séquence de réactions suivante :

1. Retrait des chaînes latérales.

2. Ouverture du cycle benzénique.

La plupart des composés aromatiques non halogénés subissent une série de réactions pour produire du catéchol ou du protocatéchuate. La biorestauration du toluène, du L-mandélate, du benzoate, du benzène, du phénol, de l'anthracène, du naphtalène, du phénanthrène et du salicylate pour produire du catéchol est illustrée à la figure 59.1. De même, la figure 59.2 illustre la bioremédiation du quinate, du p-hydroxymandélate, du formiate de p-hydroxybenzoyle, du p-toluate, du benzoate et du vanillate pour produire du protocatéchuate.

Le catéchol et le protocatéchuate peuvent subir des voies de clivage oxydatif. Dans la voie d'ortho-clivage, le catéchol et le protocatéchuate forment de l'acétyl-CoA (Fig. 59.3), tandis que dans la voie de méta-clivage (Fig. 59.4), ils sont convertis en pyruvate et en acétaldéhyde. Les produits dégradés du catéchol et du protocatéchuate sont facilement métabolisés par presque tous les organismes.

Biodégradation des pesticides et des herbicides:

Des pesticides et des herbicides sont régulièrement utilisés pour contenir diverses maladies des plantes et améliorer le rendement des cultures. En fait, ils font partie de l'agriculture moderne et ont contribué de manière significative à la révolution verte. Les herbicides et pesticides courants sont le propanil (anilide), le prophame (carbamate), l'atrazine (triazine), le piclorame (pyridine), le dichlorodiphényl trichloroéthane (DDT), le monochloroacétate (MCA), le monochloropropionate (MCPA) et le glyphosate (organophosphate). La plupart des pesticides et herbicides sont toxiques et récalcitrants (résistants à la biodégradation). Certains d'entre eux sont des tensioactifs (actifs en surface) et retenus à la surface des feuilles.

Biodégradation des composés aromatiques halogénés:

Les herbicides et pesticides les plus couramment utilisés sont des composés aromatiques halogénés (principalement chlorés). Les voies de biodégradation des composés halogénés sont comparables à celle décrite pour la dégradation des composés aromatiques non halogénés (Figs. 59.1, 59.2, 59.3 et 59.4). Le taux de dégradation des composés halogénés est inversement lié au nombre d'atomes d'halogène qui sont à l'origine présents sur la molécule cible, c'est-à-dire que les composés avec un nombre plus élevé d'halogènes sont moins facilement dégradés.

La déshalogénation (c'est-à-dire l'élimination d'un substituant halogène d'un composé organique) des composés halogénés est une étape essentielle pour leur détoxification. La déshalogénation est fréquemment catalysée par l'enzyme di-oxygénase. Dans cette réaction, il y a un remplacement d'halogène sur le benzène par un groupe hydroxyle.

La plupart des composés halogénés sont également convertis en catéchol et protocatéchuate qui peuvent être métabolisés (Fig. 59.4). Outre Pseudomonas, d'autres micro-organismes tels que Azotobacter, Bacilluefs et E. coli sont également impliqués dans la dégradation microbienne des composés aromatiques halogénés.

Biodégradation des polychlorobiphényles (PCB):

Les composés chlorés aromatiques possédant un cycle biphényle (substitué par du chlore) sont les PCB, par ex. pentachlorobiphényle. Les PCB sont synthétisés commercialement, car ils sont utiles à diverses fins - comme pesticides, dans la conductivité électrique (dans les transformateurs), dans les peintures et les adhésifs. Ils sont inertes, très stables et résistants à la corrosion.

Cependant, les PCB ont été impliqués dans le cancer, des dommages à divers organes et une altération de la fonction de reproduction. Leur utilisation commerciale a été restreinte ces dernières années et est maintenant principalement utilisée dans les transformateurs électriques.

Les PCB s'accumulent dans les sédiments du sol en raison de leur nature hydrophobe et de leur potentiel de bioaccumulation élevé. Bien qu'ils soient résistants à la biodégradation, certaines méthodes ont été récemment développées pour l'oxydation anaérobie et aérobie en utilisant un consortium de micro-organismes. Pseudomonas, gènes alcalins, Corynebacterium et Acinetobacter. Pour une dégradation plus efficace des PCB, les micro-organismes sont cultivés sur des biphényles, de sorte que les enzymes de biodégradation des PCB sont induites.

Biodégradation de certains autres composés importants:

Composés organo-nitro:

Certains des composés organo-nitro toxiques peuvent être dégradés par des micro-organismes pour leur détoxification.

2, 4, 6-Trinitrotoluène (TNT) :

Certaines espèces bactériennes et fongiques appartenant à Pseudomonas et Clostrium peuvent détoxifier le TNT.

L'hydrolyse, suivie d'une nitrification anaérobie par certaines bactéries, dégrade la nitrocellulose.

Ils contiennent des tensioactifs (agents tensioactifs) qui ne sont pas facilement biodégradables. Certains plasmides bactériens peuvent dégrader les tensioactifs.

Génie génétique pour une bioremédiation plus efficace:

Bien que plusieurs micro-organismes pouvant dégrader un grand nombre de xénobiotiques aient été identifiés, il existe de nombreuses limites à la bioremédiation :

je. La dégradation microbienne des composés organiques est un processus très lent.

ii. Aucun micro-organisme ne peut à lui seul dégrader tous les xénobiotiques présents dans la pollution environnementale.

iii. La croissance des micro-organismes peut être inhibée par les xénobiotiques.

iv. Certains xénobiotiques s'adsorbent sur les particules du sol et deviennent indisponibles pour la dégradation microbienne.

Il n'est jamais possible d'aborder toutes les limitations ci-dessus et d'effectuer un processus idéal de bioremédiation. Certaines tentatives ont été faites ces dernières années pour créer des micro-organismes génétiquement modifiés (CEM) pour améliorer la bioremédiation, en plus de dégrader les xénobiotiques qui sont très résistants (récalcitrants) à la dégradation. Certains de ces aspects sont brièvement décrits.

Manipulation génétique par transfert de plasmides:

La majorité des gènes responsables de la synthèse des enzymes biodégradables sont localisés sur les plasmides. Il est donc logique de penser à des manipulations génétiques de plasmides. De nouvelles souches de bactéries peuvent être créées par transfert de plasmides (par conjugaison) porteurs de gènes pour différentes voies de dégradation.

Si les deux plasmides contiennent des régions homologues d'ADN, une recombinaison se produit entre eux, entraînant la formation d'un plasmide fusionné plus grand (avec les fonctions combinées des deux plasmides). Dans le cas de plasmides qui ne possèdent pas de régions homologues d'ADN, ils peuvent coexister dans la bactérie (vers laquelle le transfert de plasmide a été effectué).

Le premier développement réussi d'une nouvelle souche de bactérie (Pseudomonas) par des manipulations de transfert de plasmide a été réalisé par Chakrabarty et ses collègues dans les années 1970. Ils ont utilisé différents plasmides et construit une nouvelle bactérie appelée superbactérie qui peut dégrader simultanément un certain nombre d'hydrocarbures de pétrole.

Les États-Unis ont accordé un brevet à ce superbactérie en 1981 (conformément à la directive de la Cour suprême américaine). Ainsi, superbac est devenu le premier micro-organisme génétiquement modifié à être breveté. Superbug a joué un rôle important dans le développement de l'industrie de la biotechnologie, bien qu'il n'ait pas été utilisé pour la dégradation à grande échelle des déversements de pétrole.

Création de Superbug par transfert de plasmides:

Superbug est une souche bactérienne de Pseudomonas qui peut dégrader le camphre, l'octane, le xylène et le naphtalène. Sa création est illustrée à la Fig. 59.5.

La bactérie contenant le plasmide CAM (dégradant le camphre) a été conjuguée avec une autre bactérie avec le plasmide OCT (dégradant l'octane). Ces plasmides ne sont pas compatibles et ne peuvent donc pas coexister dans la même bactérie. Cependant, en raison de la présence de régions homologues de l'ADN, une recombinaison se produit entre ces deux plasmides résultant en un seul plasmide CAM-OCT. Cette nouvelle bactérie possède les gènes de dégradation du camphre et de l'octane.

Une autre bactérie avec un plasmide XYL (dégradant le xylène) est conjuguée avec un plasmide NAH (dégradant le naphtalène) contenant une bactérie. Les plasmides XYL et NAH sont compatibles et peuvent donc coexister dans la même bactérie. Cette bactérie nouvellement produite contient des gènes pour la dégradation du xylène et du naphtalène.

L'étape suivante et finale est la conjugaison de la bactérie contenant le plasmide CAM-OCT avec l'autre bactérie contenant les plasmides XYL et NAH. La souche nouvellement créée est la superbactérie qui porte le plasmide CAM-OCT (pour dégrader le camphre et l'octane), le plasmide XYL (dégradant le xylène) et le plasmide NAH (dégradant le naphtalène).

Développement de bactéries dégradant le salicylate-toluène par transfert de plasmide:

Certaines tentatives ont été faites pour la création d'une nouvelle souche de la bactérie Pseudomonas putida pour dégrader simultanément le toluène et le salicylate. Le plasmide dégradant le toluène (TOL) a été transféré par conjugaison à une autre bactérie capable de dégrader le salicylate (en raison de la présence du plasmide SAL).

La souche nouvellement développée de Pseudomonas peut simultanément dégrader à la fois le toluène et le salicylate. Et cela se produit même à basse température (0-5°C). Cependant, la nouvelle bactérie n'est pas utilisée régulièrement, car davantage de recherches sont menées sur ses mérites et ses inconvénients.

Manipulation génétique par altération génétique:

Des travaux sont en cours pour manipuler les gènes pour une biodégradation plus efficace. Le plasmide pWWO de Pseudomonas code pour 12 enzymes différentes responsables de la voie de méta-clivage (pour la conversion du catéchol et du protocatéchuate en pyruvate et acétaldéhyde, pour la dégradation de certains composés aromatiques. Certains succès ont été rapportés pour altérer les gènes du plasmide pWWO pour dégradation plus efficace du toluène et du xylène.

Micro-organismes génétiquement modifiés (GEM) en bioremédiation:

Superbug est le premier micro-organisme génétiquement modifié. Plusieurs travailleurs du monde entier ont travaillé à la création de GEM, spécialement conçus pour la détoxification des xénobiotiques. Une liste sélectionnée de GEM présentant un potentiel de dégradation des xénobiotiques est présentée dans le tableau 59.3. Presque tous ces CFM ont été créés par transfert de plasmides.

Bio-tensioactif producteur de GEM:

Un Pseudomonas aeruginosa génétiquement modifié a été créé (par Chakarabarty et son groupe). Cette nouvelle souche peut produire un émulsifiant glycolipidique (un bio-tensioactif) qui peut réduire la tension superficielle d'une interface huile-eau. La tension interfaciale réduite favorise la biodégradation des huiles.

GEM pour Dégradation de Vanille et SDS:

Une nouvelle souche de Pseudomonas sp (souche ATCC 1915) a été développée pour la dégradation du vanillate (déchet de l'industrie papetière) et du dodécyl sulfate de sodium (SDS, composé utilisé dans les détergents).

GEM et sécurité environnementale:

Les micro-organismes génétiquement modifiés (GEM) sont maintenant devenus des outils pratiques pour les biotechnologistes. Les risques et les dangers pour la santé associés à l'utilisation des GEM sont des questions très controversées et discutables. La crainte des biotechnologues et même du grand public est que le nouvel organisme (GEM), une fois entré dans l'environnement, puisse perturber l'équilibre écologique et causer des dommages à l'habitat. Certains des GEM peuvent devenir virulents et devenir des bombes génétiques, causant de graves dommages à l'humanité.

En raison des risques liés à l'utilisation des GEM, jusqu'à présent, aucun GEM n'a été autorisé à entrer dans les domaines environnementaux. Ainsi, l'utilisation des GEM a été confinée aux laboratoires et aux processus de biodégradation entièrement contrôlés (utilisant généralement des bioréacteurs). De plus, plusieurs mesures de précaution sont prises lors de la création des GEM, de sorte que les risques associés à leur utilisation soient minimes.

Certains chercheurs sont d'avis que les GEM créeront des merveilles biotechnologiques pour la gestion environnementale des xénobiotiques, dans les prochaines décennies. Cela n'est possible que si les risques associés à chaque GEM sont soigneusement évalués et pleinement assurés de sa biosécurité.

Biorestauration des sols contaminés et des terrains vagues:

En raison de l'industrialisation et de l'utilisation intensive d'insecticides, d'herbicides et de pesticides, les solides et les terres incultes du monde entier sont pollués. Les polluants les plus courants sont les hydrocarbures, les solvants chlorés, les polychlorobiphényles et les métaux.

La biorestauration des sols et des friches par l'utilisation de micro-organismes gagne en importance ces dernières années. En fait, certains succès ont été rapportés pour la détoxification de certains polluants (par exemple les hydrocarbures) dans le sol par des micro-organismes. La biorestauration des sols peut être effectuée en impliquant deux principes - la bio-stimulation et la bio-augmentation.

Bio-stimulation dans la bioremédiation des sols:

La bio-stimulation implique essentiellement la stimulation de micro-organismes déjà présents dans le sol, par divers moyens.

Cela peut se faire de plusieurs manières :

je. Ajout de nutriments tels que l'azote et le phosphore.

ii. Supplémentation avec des co-substrats, par ex. méthane ajouté pour dégrader le trichloréthylène.

iii. Ajout de tensioactifs pour disperser les composés hydrophobes dans l'eau.

L'ajout de nutriments et de co-substrats favorise la croissance microbienne tandis que les tensioactifs exposent les molécules hydrophobes. Dans toutes ces situations, il en résulte qu'il se produit une bio-stimulation par une bioremédiation efficace des sols pollués ou des friches.

Bio-augmentation dans la bioremédiation des sols:

L'ajout de micro-organismes spécifiques au sol pollué constitue la bio-augmentation. Les polluants sont des molécules très complexes et les micro-organismes indigènes du sol peuvent à eux seuls ne pas être capables de les dégrader efficacement. Les exemples de tels polluants comprennent les polychlorobiphényles (PCB), le trinitrotoluène (TNT), les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et certains pesticides.

Sur la base des résultats de la recherche au niveau du laboratoire (en ce qui concerne la biodégradation), il est désormais possible d'ajouter une combinaison de micro-organismes appelée consortium ou cocktail de micro-organismes, pour réaliser une bio-augmentation.

Avec le développement des micro-organismes génétiquement modifiés (GEM), ils peuvent également être utilisés pour bio-augmenter les sols pour une bioremédiation très efficace. Mais l'utilisation directe des GEM dans les sols est associée à plusieurs risques et dangers pour la santé.

Techniques de bioremédiation des sols:

Les méthodes les plus couramment utilisées pour la bioremédiation sont les sols sont la bioremédiation in situ, l'agriculture sur terre et les bioréacteurs en phase boueuse.

Bioremédiation in situ des sols:

La biorestauration in situ implique généralement le nettoyage biologique des sols sans excavation. Cette technique est utilisée pour la bioremédiation des sous-surfaces des sols, des bâtiments et des routes qui sont pollués. Parfois, l'eau (oxygénée) est recyclée à travers les sous-surfaces pour augmenter l'efficacité de la dégradation microbienne. Il existe deux types de techniques de bioremédiation des sols in situ : la bioventilation et la phytoremédiation.

Il s'agit d'une technique très efficace et rentable pour la biorestauration des sols contaminés par le pétrole. La bioventilation implique la biodégradation aérobie des polluants en faisant circuler l'air à travers les sous-surfaces du sol. Bien que cela prenne quelques années, la bioventilation peut être utilisée pour la dégradation des paraffines solubles et des hydrocarbures aromatiques polycycliques. La limitation majeure de cette technique est la circulation de l'air qui n'est pas toujours praticable.

La bioremédiation par l'utilisation de plantes constitue la phytoremédiation. Des plantes spécifiques sont cultivées sur les sites de sols pollués. Ces plantes sont capables de stimuler la biodégradation des polluants dans le sol adjacent aux racines (rhizosphère) bien que la phytoremédiation soit un processus de nettoyage bon marché et respectueux de l'environnement pour la biodégradation des polluants du sol, cela prend plusieurs années.

L'agriculture des terres dans la bioremédiation des sols:

La culture du sol est une technique de bioremédiation des sols contaminés aux hydrocarbures. Une représentation schématique du système d'exploitation agricole (également appelé réacteur à sol en phase solide) est illustrée à la figure 59.6.

Le sol est excavé, mélangé avec des micro-organismes et des nutriments et étalé sur un revêtement, juste en dessous du sol pollué. Le sol doit être régulièrement labouré pour un bon mélange et aération. Si le sol est mélangé avec du compost et/ou si la température augmente, l'efficacité de la biodégradation augmente.

L'ajout de co-substrats et le prétraitement anaérobie des sols pollués augmentent également le processus de dégradation. La culture des terres a été utilisée avec succès pour la bioremédiation des sols pollués par le chloroéthane, le benzène, le toluène et le xylène. Les trois derniers composés sont souvent appelés aromatiques BTX.

Bioréacteurs en phase boueuse dans la biorestauration des sols:

Les bioréacteurs en phase lisier sont des systèmes améliorés d'exploitation des terres. Dans ces cas, le sol pollué excavé est soumis à une biorestauration dans des conditions contrôlées de manière optimale dans des bioréacteurs spécialement conçus. En raison d'un contact étroit entre les xénobiotiques et les micro-organismes, et des conditions optimales (apport en nutriments, température, aération etc.), la dégradation est très rapide et efficace. Les bioréacteurs en phase boueuse, cependant, ne sont pas adaptés à une utilisation généralisée en raison de leur coût élevé.

Bioremédiation des eaux souterraines:

La pollution de l'environnement entraîne également la contamination des eaux souterraines à plusieurs endroits. Les polluants couramment rencontrés sont les hydrocarbures pétroliers (molécules aliphatiques, aromatiques, cycliques et substituées). La biorestauration des eaux souterraines peut être réalisée par deux méthodes : la technique de pompage et de traitement et la technique de bioclôture.

Technique de pompage et de traitement pour la biorestauration des eaux souterraines:

La biorestauration des eaux souterraines par la technologie de pompage et de traitement est principalement basée sur des principes physico-chimiques pour éliminer les polluants. Les unités de traitement sont installées au-dessus du sol. Les colonnes à bandes et les filtres à charbon actif peuvent éliminer la plupart des polluants des eaux souterraines. L'eau traitée est recyclée par puits d'injection plusieurs fois afin que les polluants soient efficacement éliminés.

Pour l'élimination de certains polluants organiques, des réacteurs biologiques (bioréacteurs) doivent être installés (Fig. 59.7A). Par exemple, pour la biodégradation du tétrachloroéthane, un bioréacteur à boues méthogéniques granulaires s'avère efficace. Ces dernières années, des bioréacteurs contenant à la fois des bactéries aérobies et anaérobies ont été développés pour une meilleure bioremédiation des eaux souterraines fortement polluées.

Il n'est cependant pas possible d'obtenir une bonne épuration des eaux souterraines par la technologie de pompage et de traitement, pour diverses raisons (hétérogénéités du sous-sol, composés fortement adsorbés, faible perméabilité aux polluants, etc.).

Technique de bioclôture pour la bioremédiation des eaux souterraines:

La bioclôture est une technique améliorée pour la biorestauration des eaux souterraines. Il consiste en l'installation d'une zone bioactive en bordure descendante d'une zone d'eau souterraine contaminée. Les nutriments sont injectés à travers un puits jusqu'à la zone bioactive (Fig. 59.7B). Au fur et à mesure que l'eau souterraine traverse la zone bioactive (par l'impact de la direction naturelle de l'écoulement), les polluants sont biodégradés et de l'eau souterraine propre en sort.


Résumé

La bioremédiation a le potentiel de restaurer les environnements contaminés à moindre coût mais efficacement, mais un manque d'informations sur les facteurs contrôlant la croissance et le métabolisme des micro-organismes dans les environnements pollués limite souvent sa mise en œuvre. Cependant, des progrès rapides dans la compréhension de la bioremédiation se profilent à l'horizon. Les chercheurs ont désormais la capacité de cultiver des micro-organismes importants dans la biorestauration et peuvent évaluer leur physiologie en utilisant une combinaison de techniques expérimentales et de modélisation basées sur le génome. De plus, de nouvelles techniques de génomique environnementale offrent la possibilité d'études similaires sur des organismes encore non cultivés. La combinaison de modèles capables de prédire l'activité des micro-organismes impliqués dans la bioremédiation avec les modèles géochimiques et hydrologiques existants devrait transformer la bioremédiation d'une pratique largement empirique en une science.


Biochimie de la dégradation microbienne de l'hexachlorocyclohexane et perspectives de bioremédiation

Rup Lal est professeur de biologie moléculaire au Département de zoologie de l'Université de Delhi. Né dans un village, Kanoh, dans l'Himachal Pradesh, Rup Lal a fait son doctorat. à l'Université de Delhi (1980). Il est titulaire d'une bourse Alexander von Humboldt, d'une bourse DBT Overseas et d'une chaire ASM Indo-US et est chercheur invité à l'Université de Cambridge. Il est actuellement chef du département de zoologie et doyen de la faculté des sciences. Ses principaux intérêts de recherche comprennent la diversité microbienne sur les sites pollués par les pesticides, la génétique et la biochimie de la dégradation de l'hexachlorocyclohexane (HCH) et le développement de la technologie de biorestauration du HCH. Rup Lal s'intéresse également à l'évolution des ligne gènes et la manipulation génétique du producteur de rifamycine Amycolatopsis mediterranei. Son groupe séquence les génomes de Amycolatopsis mediterranei et Sphingobium indicum. Il a publié plus de 100 articles et est rédacteur en chef de l'Indian Journal of Microbiology et membre de l'Académie nationale des sciences agricoles et de l'Association des microbiologistes de l'Inde. Gunjan Pandey a obtenu sa maîtrise en biochimie de l'Université d'agriculture et de technologie GB Pant, Pantnagar, Inde, en 1999 et son doctorat de l'Institute of Microbial Technology (IMTECH), Chandigarh, Inde, en 2004. Sa recherche doctorale impliquait des études fondamentales et appliquées. de la biodégradation des composés nitroaromatiques, une classe majeure de polluants environnementaux. En 2004, Gunjan a rejoint le CSIRO Entomology à Canberra, en Australie, en tant que stagiaire postdoctoral et a travaillé au développement de produits enzymatiques commerciaux pour la détoxification de plusieurs produits chimiques de pesticides. Il a ensuite été nommé chercheur scientifique à durée indéterminée au CSIRO Entomologie. Il dirige maintenant une équipe de recherche qui s'intéresse largement à la biodégradation, la biotransformation et la biocatalyse, avec un accent particulier sur la découverte et le développement d'enzymes commercialement viables pour la détoxification des pesticides. Pooja Sharma est un étudiant diplômé avec le professeur Rup Lal. Elle a soumis sa thèse de doctorat à l'Université de Delhi, Inde, en septembre 2009 sur la bioremédiation enzymatique de l'hexachlorocyclohexane (HCH) par l'action d'une enzyme microbienne, la HCH déshydrochlorinase (LinA). Elle a complété sa maîtrise en zoologie avec une spécialisation en biologie cellulaire en 2004 à l'Université de Delhi. Elle s'intéresse de près aux microbes qui dégradent les pesticides et est actuellement impliquée dans le déploiement de bactéries ou de leurs enzymes pour restaurer la santé de l'environnement. Kirti Kumari a obtenu sa maîtrise en zoologie (spécialisation en biologie cellulaire) de l'Université de Delhi, en Inde, en 2005 et son doctorat. sous la direction du professeur Rup Lal de l'Université de Delhi, en Inde, en novembre 2009. Sa recherche doctorale portait sur l'étude de la cinétique et de la diversité de l'enzyme haloalcane déshalogénase (LinB) dans la voie de dégradation du HCH. Elle travaille actuellement sur la bioremédiation enzymatique des sols contaminés par le HCH. Ses intérêts de recherche comprennent le décryptage des options de biorestauration pour la décontamination des résidus de pesticides dans l'environnement. Shweta Malhotra a obtenu sa maîtrise en zoologie (spécialisation en biologie cellulaire) puis son doctorat. diplôme de l'Université de Delhi, Inde. Elle a travaillé comme stagiaire postdoctorale à l'Université de Louisville, Louisville, Kentucky. Actuellement, elle travaille comme boursière postdoctorale dans le domaine de la métagénomique à l'Université Dong-A, à Busan, en Corée du Sud. Ses intérêts de recherche incluent la métagénomique, les éléments génétiques mobiles (plasmides et transposons), la biodégradation des composés organiques et la biologie des actinomycètes. Rinku Pandey est née à New Delhi, en Inde, en 1977. Elle a fréquenté l'Université de Delhi, où elle a obtenu une maîtrise en zoologie spécialisée en biologie cellulaire et moléculaire en 2000. Elle a rejoint le groupe du professeur Rup Lal à l'Université de Delhi en 2001 , où elle a travaillé sur l'analyse moléculaire de la ligne gènes impliqués dans la dégradation de l'hexachlorocyclohexane (HCH) et l'analyse phylogénétique et la reclassification des trois principales bactéries dégradant le HCH et a obtenu en 2005 un doctorat. en biologie moléculaire. Elle a rejoint CSIRO Entomology en tant que boursière postdoctorale en 2006 pour travailler dans le domaine de la récupération microbienne améliorée du pétrole et de la bioremédiation enzymatique des résidus organochlorés cycliques. Vishakha Raina a complété sa maîtrise en zoologie avec une spécialisation en biologie cellulaire et moléculaire (1997 à 1999) à l'Université de Delhi. Plus tard, elle a obtenu son doctorat. en biologie moléculaire sous la direction du professeur Rup Lal à l'Université de Delhi (1999 à 2004), où elle a travaillé sur la physiologie et la génétique d'un microbe dégradant l'hexachlorocyclohexane (HCH), Sphingobium indicum B90A, et ses applications pour la biorestauration des sols contaminés par le HCH. Pendant ce temps, elle a visité l'EPFL, Lausanne, Suisse (juillet à décembre 2001), en tant que boursière. Plus tard, elle a rejoint le groupe du Dr Hans-Peter E. Kohler en tant que stagiaire postdoctoral à l'EAWAG (Institut fédéral suisse des sciences et technologies aquatiques), Duebendorf, Suisse (2005 à 2007), où elle a beaucoup travaillé sur la biochimie de l'HCH. isomères. Elle a élucidé les voies de dégradation métabolique de tous les isomères du HCH dans Sphingobium indicum B90A. Elle travaille sur la dégradation des pesticides depuis 10 ans. Actuellement, elle est professeure adjointe à l'Université KIIT, Orissa, Inde. Hans-Peter E. Kohler est Senior Scientist à l'Institut fédéral suisse des sciences et technologies aquatiques (EAWAG). Il a obtenu un M.S. en biochimie à l'Institut fédéral suisse de technologie (ETHZ), Zürich, Suisse (1980), et un doctorat. en microbiologie à l'ETHZ (1986). Depuis 1998, il dirige le groupe de recherche Biochimie environnementale du Département de microbiologie environnementale de l'EAWAG. En 1998, il a été professeur-chercheur invité au Département de microbiologie et au Centre de recherche environnementale mondiale et régionale (CGRER) de l'Université de l'Iowa. Ses principaux intérêts de recherche comprennent la dégradation microbienne et le devenir environnemental des polluants organiques récalcitrants, la biochimie des mono- et dioxygénases et la transformation microbienne des composés chiraux. En particulier, l'élucidation des voies de dégradation microbienne, l'isolement et la caractérisation des microbes compétents, et l'identification et la caractérisation des enzymes cruciales sont ses thèmes de recherche centraux. Les recherches du Dr Kohler visent également à développer des stratégies de bioremédiation pour la décontamination des sites pollués et à promouvoir des procédés biotechnologiques pour la production durable de composés organiques, par exemple les -peptides. Christof Holliger est né à Zurich, en Suisse. Il a étudié à l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ETHZ) et a obtenu son diplôme de biologie en 1984. Il a obtenu son doctorat. de l'Université agricole de Wageningen, Pays-Bas, en 1992, avec une thèse sur la déchloration réductrice par des bactéries anaérobies. Il a été nommé chef de groupe à l'Institut suisse de recherche aquatique (EAWAG) en 1992 et professeur assistant en 1998 à l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Suisse. En 2004, il a été promu professeur agrégé dans la même institution.Ses intérêts de recherche sont la biologie moléculaire, la génétique, la biochimie, la physiologie, ainsi que l'écologie microbienne des bactéries dégradant les composés chlorés. De plus, le laboratoire qu'il dirige étudie et développe des procédés de traitement des eaux usées, des déchets solides et des gaz résiduaires avec un accent particulier sur les consortiums microbiens impliqués. Colin Jackson est né à Hamilton, en Nouvelle-Zélande, et a obtenu son B.Sc. (Hons) en 2002 de l'Université d'Otago. En 2006, il a terminé son doctorat. sous la direction du professeur David Ollis à l'Australian National University. Il a ensuite effectué une courte bourse postdoctorale sous la direction du Dr John G. Oakeshott à l'Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO, Australie) avant d'être nommé chercheur scientifique à durée indéterminée au CSIRO. Il est actuellement en congé pour participer à une bourse de recherche Marie Curie à l'Institut de Biologie Structurale de Grenoble, France. Il s'intéresse largement aux déterminants structurels et chimiques de la catalyse enzymatique et du génie enzymatique. John G. Oakeshott est scientifique en chef à la Division d'entomologie de l'Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) en Australie. Son expertise réside dans la biochimie enzymatique, la biologie moléculaire et la génomique, et il a concentré une grande partie de ses travaux au cours des 20 dernières années sur les enzymes dégradant les pesticides des procaryotes et des eucaryotes. Il a un intérêt fondamental à long terme pour l'évolution moléculaire et en particulier les moyens par lesquels des fonctions biochimiques qualitativement nouvelles apparaissent. Cependant, il a également de forts intérêts appliqués et a dirigé des projets de développement de technologies de bioremédiation à enzymes libres pour éliminer les résidus de pesticides des liquides contaminés et des surfaces mouillables. John a publié plus de 170 articles, dont plus de 130 dans des revues répertoriées par l'ISI (plus de 3 500 citations), ainsi que près de 20 brevets/demandes de brevet. John a siégé pendant de nombreuses années aux comités de réglementation de la technologie génétique de pointe en Australie et est membre de l'Académie australienne des sciences et de l'ingénierie technologiques.

Chapitre 16 - Remédiation microbienne des polluants organiques

Deux groupes typiques de polluants organiques dans les environnements marins sont très préoccupants, les hydrocarbures pétroliers et les polluants organiques halogénés tels que les polychlorobiphényles (PCB). En raison de leur nature hautement hydrophobe, ils font partie des polluants environnementaux les plus toxiques et les plus persistants et sont présents dans le monde entier dans les sédiments marins.

Les bactéries marines comprennent une variété de candidats à leur dégradation. Les hydrocarbures pétroliers peuvent être consommés par divers micro-organismes aérobies et anaérobies, mais la dégradation des matières organiques halogénées est principalement attribuée à des bactéries respirant les organohalogénures strictement anaérobies. C'est la base pour développer des stratégies de remédiation efficaces, de la sélection de souches pour la bio-augmentation à la surveillance moléculaire basée sur leurs enzymes ou gènes clés impliqués.

Il existe deux problèmes écologiques clés pour une bioremédiation réussie dans les environnements marins : les conditions marines telles que les basses températures, l'acidification océanique, etc., et les impacts environnementaux interactifs des processus de remédiation améliorés. La recherche sur la bioremédiation améliorée devient prometteuse avec de nouveaux matériaux qui libèrent lentement des facteurs biostimulants, un emballage à haute densité de cellules microbiennes et des biofilms de soutien. Pour améliorer leurs activités métaboliques, des techniques électrochimiques ont été introduites pour construire une pile à combustible microbienne à grande échelle afin de mieux aider à l'assainissement des polluants organiques persistants.


16.6 : Bioremédiation microbienne - Biologie

L'intérêt pour la biodégradation microbienne des polluants s'est intensifié ces dernières années alors que l'humanité s'efforce de trouver des moyens durables de nettoyer les environnements contaminés. Ces méthodes de bioremédiation et de biotransformation s'efforcent d'exploiter l'étonnante diversité catabolique microbienne naturelle pour dégrader, transformer ou accumuler une vaste gamme de composés, notamment des hydrocarbures (p. radionucléides et métaux. Les percées méthodologiques majeures de ces dernières années ont permis des analyses génomiques, métagénomiques, protéomiques, bioinformatiques et autres à haut débit détaillées de micro-organismes pertinents pour l'environnement, fournissant des informations sans précédent sur les principales voies de biodégradation et la capacité des organismes à s'adapter aux conditions environnementales changeantes.

Dans ce livre d'actualité, des auteurs internationaux experts examinent de manière critique tous les sujets les plus importants dans ce domaine passionnant. Bien que d'autres livres couvrant ce sujet soient actuellement disponibles, ce livre est unique en ce qu'il est le premier à passer en revue le domaine du point de vue de la biologie moléculaire et de la génomique. Les sujets abordés comprennent : la biodégradation aérobie et anaérobie des composés aromatiques, les méthodes de détection moléculaire (par exemple, la microautoradiographie, les analyses d'ARNm, etc.), la modélisation prédictive basée sur le génome, l'élucidation des réseaux de réglementation, la biodisponibilité, les problèmes de chimiotaxie et de transport, les analyses génomiques fonctionnelles, l'atténuation naturelle , empreintes communautaires et métagénomique, biotraitement et ingénierie des biocatalyseurs. Lecture essentielle pour les scientifiques de la dégradation microbienne et de la bioremédiation et d'intérêt général pour les microbiologistes travaillant dans le domaine de la microbiologie environnementale.

"un examen du domaine d'un point de vue biologie moléculaire et génomique" de SciTech Book News (décembre 2007) pp. 145

« réussit à aborder le domaine actuel, mais en évolution rapide, des méthodologies et des techniques de biologie moléculaire impliquées dans la biodégradation. examen pratique à guichet unique » de Microbiology Today (2008)

". très clair écrit avec une abondance d'informations. ce livre est fortement recommandé pour les scientifiques travaillant dans le domaine de la dégradation microbienne et de la bioremédiation et certainement d'intérêt général pour les microbiologistes de l'environnement. Il devrait être mis à disposition dans toutes les bibliothèques des universités, instituts de recherche et et est en outre fortement recommandé à tous ceux qui s'intéressent aux sciences de la vie." de l'Ing. Science de la vie. (2008) 8(1) : 81-82.

". un livre qui vaut vraiment la peine d'être lu" de Biospektrum (2008) 14 : 6686-669.

4.7 Mb du génome du dénitrifiant facultatif "Aromatoleum aromaticum" EbN1 a été la première à être déterminée pour un dégradeur d'hydrocarbures anaérobie (utilisant le toluène ou l'éthylbenzène comme substrats). La séquence du génome a révélé environ deux douzaines de groupes de gènes (dont plusieurs paralogues) codant pour un réseau catabolique complexe pour la dégradation anaérobie et aérobie La séquence du génome constitue la base des études détaillées actuelles sur la régulation des voies et des structures enzymatiques. D'autres génomes de bactéries anaérobies dégradant les hydrocarbures ont été récemment achevés pour les espèces réductrices de fer Geobacter metallireducens (numéro d'accession NC_007517) et le réducteur de perchlorate "Dechloromonas aromatica" (numéro d'accès NC_007298), mais ceux-ci ne sont pas encore évalués dans des publications formelles. Des génomes complets ont également été déterminés pour des bactéries capables de dégradation anaérobie des hydrocarbures halogénés par

1,4 Mb de génomes de Dehalococcoides ethenogenes souche 195 et Déhalococcoïdes sp. souche CBDB1 et la

5.7 Mo de génome de Desulfitobacterium hafniense souche Y51. La caractéristique de toutes ces bactéries est la présence de plusieurs gènes paralogues pour les déshalogénases réductrices, impliquant un spectre de déshalogénation des organismes plus large qu'on ne le savait auparavant. De plus, les séquences du génome ont fourni des informations sans précédent sur l'évolution de la déshalogénation réductrice et les différentes stratégies d'adaptation de niche.

(EAN : 9781904455172 9781913652203 Sujets : [bactériologie] [microbiologie] [microbiologie moléculaire] [génomique] [microbiologie environnementale] )