La biotechnologie environnementale, une voie vers le développement durable

L’en­vi­ron­ne­ment est le milieu natu­rel dans lequel les êtres vivants évo­luent. La ges­tion de l’en­vi­ron­ne­ment uti­lise depuis long­temps des pro­cé­dés de bio­tech­no­lo­gie au sens large du terme. Ain­si, en tant que pro­gramme de recherche et d’in­no­va­tion, la vision du sec­teur émergent de la bio­tech­no­lo­gie envi­ron­ne­men­tale peut être consi­dé­rée comme l’ex­ten­sion de celle de la biotechnologie. 

Repères
Les prin­ci­paux sec­teurs d’ac­ti­vi­té concer­nés par la bio­tech­no­lo­gie envi­ron­ne­men­tale sont actuel­le­ment la décon­ta­mi­na­tion des sites pol­lués, le trai­te­ment et le recy­clage des déchets et des odeurs, le trai­te­ment de l’eau, la sur­veillance des agents patho­gènes dans l’en­vi­ron­ne­ment et les éner­gies renouvelables. 

Domestiquer les micro-organismes

Les pro­grès spec­ta­cu­laires issus des labo­ra­toires de bio­tech­no­lo­gie, notam­ment dans le domaine des tech­niques de l’ADN, ont révo­lu­tion­né notre com­pré­hen­sion glo­bale de la bio­sphère. Les cher­cheurs ont ain­si décou­vert une quan­ti­té et une diver­si­té jusque-là insoup­çon­nées de micro-orga­nismes, qui pour la plu­part ne sont pas culti­vables en labo­ra­toire avec les tech­niques tra­di­tion­nelles. Ils ont mis en évi­dence que les micro-orga­nismes pro­ca­ryotes (sans noyau), invi­sibles à l’oeil nu mais ubi­qui­taires dans l’en­vi­ron­ne­ment, jouent un rôle fon­da­men­tal dans notre monde actuel et les cycles bio­géo­chi­miques glo­baux. Ain­si les objec­tifs prio­ri­taires de la bio­tech­no­lo­gie envi­ron­ne­men­tale sont l’é­tude de l’é­co­lo­gie micro­bienne et la ges­tion des res­sources microbiennes. 

Une ges­tion durable des déchets
Les tech­niques de bio­re­mé­dia­tion peuvent être uti­li­sées dans diverses appli­ca­tions incluant la dépol­lu­tion des sols, le trai­te­ment des eaux usées, des gaz pol­luants et des déchets solides. Les mau­vaises odeurs peuvent éga­le­ment être trai­tées à l’aide de sys­tèmes biologiques.
Les pro­duits ain­si épu­rés sont reje­tés dans l’air, les égouts ou sont enfouis.
Éven­tuel­le­ment, ils peuvent être réuti­li­sés, par exemple le bio­gaz ou les com­posts issus des déchets municipaux.
Cela per­met d’as­su­rer un allé­ge­ment maxi­mum des décharges et d’a­bou­tir à une ges­tion des déchets durable sur le plan social, éco­no­mique et environnemental. 

Durant les der­nières décen­nies, l’in­dus­tria­li­sa­tion et l’ur­ba­ni­sa­tion crois­santes ont engen­dré une pol­lu­tion et des chan­ge­ments envi­ron­ne­men­taux sans pré­cé­dent. L’é­tude de la capa­ci­té de l’en­vi­ron­ne­ment à s’a­dap­ter à de tels chan­ge­ments tout en main­te­nant l’é­qui­libre de la bio­sphère actuelle est deve­nue une prio­ri­té de recherche dans de nom­breux pays. Il semble aujourd’­hui néces­saire et urgent de déve­lop­per une éco­no­mie verte et durable, et pour cela de net­toyer la pol­lu­tion actuelle ain­si que d’op­ti­mi­ser les bilans en eau et en éner­gie de l’ac­ti­vi­té humaine et aug­men­ter l’ex­ploi­ta­tion de res­sources renouvelables. 

Une stra­té­gie pri­mor­diale consiste en la culture et la main­te­nance de com­mu­nau­tés micro­biennes auto-orga­ni­sées et auto-entre­te­nues, offrant ain­si une gamme de solu­tions durables, conti­nues et éco­no­miques. De la même manière que notre sys­tème diges­tif dépend de la flore micro­bienne intes­tine pour assi­mi­ler les ali­ments consom­més, l’u­ti­li­sa­tion de micro-orga­nismes qui peuvent pré­di­gé­rer les com­po­sés pol­luants en sous-pro­duits non toxiques ou réuti­li­sables ou qui peuvent contri­buer à la pro­duc­tion de com­po­sés chi­miques com­plexes semble néces­saire pour le déve­lop­pe­ment durable de l’industrie. 

Ain­si le défi posé à la bio­tech­no­lo­gie envi­ron­ne­men­tale est à l’in­ter­face entre génie indus­triel et micro­bio­lo­gie. Les sys­tèmes indus­triels sont agen­cés de manière à uti­li­ser effi­ca­ce­ment l’éner­gie interne des bac­té­ries, per­çues comme des micro-usines chi­miques biodégradables. 

Les inno­va­tions dans ce domaine ont créé des avan­cées majeures dans les sec­teurs tels que l’a­groa­li­men­taire, l’in­dus­trie de l’eau et des déchets (bio­re­mé­dia­tion), l’in­dus­trie chi­mique (bio­raf­fi­ne­rie), les éner­gies renou­ve­lables et la biosécurité. 

Nettoyer à l’échelle moléculaire

Un des pro­blèmes fon­da­men­taux de la pro­tec­tion de l’en­vi­ron­ne­ment est la ges­tion des déchets. L’ac­ti­vi­té inten­sive de la socié­té humaine génère une quan­ti­té énorme de déchets, tant indus­triels que domes­tiques, qui menacent de dépas­ser rapi­de­ment la capa­ci­té de régé­né­ra­tion natu­relle et de s’ac­cu­mu­ler au détri­ment des res­sources naturelles. 

Une résis­tance aux agressions
Le bio­film englobe les cel­lules qui le contiennent, ain­si qu’une matrice de sub­stances poly­mé­riques qu’elles ont sécré­tées et qui les main­tient atta­chées sur la sur­face et entre elles. Les bac­té­ries dans les bio­films acquièrent sou­vent une phy­sio­lo­gie spé­ci­fique et deviennent bien plus résis­tantes aux agres­sions exté­rieures telles que les bio­cides et les anti­bio­tiques. Les bio­films favo­risent éga­le­ment la libé­ra­tion et la dis­sé­mi­na­tion de souches variantes lors de la phase dite de dispersion. 

La bio­re­mé­dia­tion consiste à uti­li­ser des pro­cé­dés bio­lo­giques pour réduire le niveau de pol­lu­tion de sys­tèmes pré­sents dans l’air, l’eau ou le sol, en neu­tra­li­sant les déchets toxiques ou en décon­ta­mi­nant les milieux pol­lués. Cer­tains micro-orga­nismes sont capables d’as­su­rer leur crois­sance ou leur besoin en éner­gie en dégra­dant de petites quan­ti­tés de com­po­sés chi­miques que nous consi­dé­rons comme pol­luants, par exemple les hydro­car­bures chlo­rés. Sou­vent, il faut d’a­bord iden­ti­fier et iso­ler la ou les espèces spé­ci­fiques capables de cata­bo­li­ser les pol­luants concernés. 

Il est néces­saire et urgent de déve­lop­per une éco­no­mie verte et durable 

Ensuite, les condi­tions néces­saires au main­tien de la com­mu­nau­té micro­bienne et de son acti­vi­té méta­bo­lique doivent être amé­na­gées, par exemple en ajus­tant le niveau d’air et la pré­sence d’autres com­po­sés qui par­ti­cipent au méta­bo­lisme, tels que les navettes à élec­trons. L’op­ti­mi­sa­tion de la culture enri­chie est cru­ciale pour obte­nir un ren­de­ment effi­cace et concurrentiel. 

Quand la bio­dé­gra­da­tion est com­plète, les pro­duits finals com­prennent du dioxyde de car­bone, de l’eau et des sels miné­raux inof­fen­sifs. En outre, la bio­re­mé­dia­tion peut être com­bi­née avec des pro­ces­sus chi­miques, d’in­ci­né­ra­tion ou encore l’u­ti­li­sa­tion d’en­zymes puri­fiées. Les enzymes sont des cata­ly­seurs bio­lo­giques, très effi­caces, bio­dé­gra­dables et qui pré­sentent de nom­breux avan­tages sur les cata­ly­seurs non bio­lo­giques comme une meilleure spé­ci­fi­ci­té et acti­vi­té dans des condi­tions plus douces de tem­pé­ra­ture et pH. 

Contrôler les micro-organismes

Afin de gérer l’es­pace envi­ron­ne­men­tal, il est néces­saire de contrô­ler les com­mu­nau­tés micro­biennes. Dans la nature, les bac­té­ries vivent en majo­ri­té dans des colo­nies de sur­face appe­lées bio­film. Les bio­films poussent par­tout, sur vir­tuel­le­ment toute sur­face en contact avec un liquide, que ce soit l’o­céan, ou les fluides dans le corps humain. Ils peuvent être la cause de mala­die ou bien d’in­ter­fé­rence avec les pro­ces­sus indus­triels par exemple en blo­quant les pores des mem­branes de fil­tra­tion ou en salis­sant le maté­riel immergé. 

Le moteur de la rési­lience écologique
L’u­ti­li­sa­tion des tech­no­lo­gies » omiques » (géno­mique, pro­téo­mique, etc.) appli­quées aux com­mu­nau­tés micro­biennes garan­tit la décou­verte de nou­veaux gènes (et donc de pro­téines spé­cia­li­sées) ou bio­pro­cé­dés aux pro­prié­tés exploi­tables. Ain­si, l’ex­plo­ra­tion de la bio­di­ver­si­té à l’é­chelle micro­bienne assure d’é­tendre très rapi­de­ment la gamme de pro­duits cou­verts par la bio­raf­fi­ne­rie. Ce constat sou­ligne l’im­por­tance vitale de sur­veiller et conser­ver la bio­di­ver­si­té qui est l’une des plus grandes richesses de la pla­nète et le moteur de la rési­lience écologique. 

Les trai­te­ments anti­mi­cro­biens clas­siques ne sont pas appli­cables car ils néces­sitent une dose trop impor­tante qui peut être toxique, risquent une issue fatale, ou exigent des dépenses éner­gé­tiques inac­cep­tables. De plus, la légis­la­tion res­treint l’u­ti­li­sa­tion d’a­gents anti­mi­cro­biens dan­ge­reux pour l’en­vi­ron­ne­ment tel le tri­bu­ty­lé­tain (TBT), un anti­fou­ling puis­sant appli­qué sur les coques des bateaux, qui a été tota­le­ment ban­ni en 2008. 

Les stra­té­gies visant à l’a­mé­lio­ra­tion et au renou­veau des moyens de contrôle des bio­films ciblent les régu­la­teurs molé­cu­laires des étapes clés du déve­lop­pe­ment des bio­films, comme l’adhé­sion de sur­face, la com­mu­ni­ca­tion cel­lule – cel­lule par échange de signaux chi­miques, ou les sys­tèmes d’en­tre­tien du bio­film. D’autre part, les bac­té­ries pos­sèdent des sen­seurs sous forme de pro­téines ou com­plexes métaux actifs, qui en réponse à cer­tains sti­mu­li dans leur envi­ron­ne­ment immé­diat, par exemple le monoxyde d’a­zote (NO), peuvent induire la dis­per­sion des cellules. 

Des outils per­for­mants de détec­tion rapide et de sur­veillance en continu 

De tels sys­tèmes sont éga­le­ment la cible pour la mise au point de méthodes effi­caces, peu coû­teuses et res­pec­tueuses de l’en­vi­ron­ne­ment pour le contrôle des biofilms. 

Induire la dis­per­sion natu­relle du bio­film per­met d’ex­ploi­ter l’éner­gie interne des cel­lules qui, en réponse au bon signal, quittent d’elles-mêmes les sur­faces. Le résul­tat est une éco­no­mie glo­bale d’éner­gie et un impact réduit de l’ac­ti­vi­té de contrôle micro­bien sur l’en­vi­ron­ne­ment. Outre la capa­ci­té d’é­li­mi­ner les bio­films nui­sibles, les méthodes de contrôle du déve­lop­pe­ment des bio­films peuvent éga­le­ment ser­vir pour l’en­tre­tien de bio­films béné­fiques comme dans les pro­cé­dés de bioraffinerie. 

Surveiller l’émergence de pathogènes

Un des pro­blèmes fon­da­men­taux de la pro­tec­tion de l’en­vi­ron­ne­ment est la ges­tion des déchets.

L’exis­tence de microbes infec­tieux peut être consi­dé­rée comme le résul­tat d’une sym­biose man­quée entre orga­nismes vivants, et est un dan­ger constant pour l’hu­ma­ni­té. L’é­clo­sion de patho­gènes est une pré­oc­cu­pa­tion prin­ci­pale de la san­té publique. Que ce soit en hygiène agroa­li­men­taire, dans les réseaux de dis­tri­bu­tion d’eau ou encore dans les rivières et les pis­cines, la sur­veillance est pri­mor­diale. Dans ce domaine, la bio­tech­no­lo­gie envi­ron­ne­men­tale per­met d’ap­por­ter aux sources cri­tiques des outils per­for­mants de détec­tion rapide et de sur­veillance en continu. 

Grâce aux pro­grès de la bio­lo­gie molé­cu­laire, il existe main­te­nant des tests, par exemple basés sur la PCR (réac­tion en chaîne par poly­mé­rase), capables de don­ner des diag­nos­tics en quelques heures. Cela repré­sente un pro­grès immense par rap­port aux méthodes pré­cé­dentes, basées sur la culture des souches, qui néces­si­taient jus­qu’à plu­sieurs jours d’at­tente. De telles amé­lio­ra­tions per­mettent d’i­den­ti­fier la source, le mode de trans­mis­sion et les fac­teurs de risque et l’é­vo­lu­ti­vi­té poten­tielle du pro­blème et ain­si mettre en œuvre les pro­cé­dures d’a­lerte et enga­ger une action pré­ven­tive argu­men­tée de la dif­fu­sion des souches pathogènes. 

Développer des procédés durables

Le déve­lop­pe­ment durable, en plus de néces­si­ter la dépol­lu­tion de l’en­vi­ron­ne­ment, requiert un renou­veau de la ges­tion du capi­tal natu­rel. En per­met­tant de réduire la consom­ma­tion en eau, éner­gie et autres res­sources natu­relles tout en main­te­nant la com­pé­ti­ti­vi­té, la bio­tech­no­lo­gie envi­ron­ne­men­tale a un très fort poten­tiel pour contri­buer à la via­bi­li­té éco­lo­gique de l’industrie. 

Tout d’a­bord, les nou­velles méthodes de contrôle micro­bien qui sont plus effi­caces et plus spé­ci­fiques per­mettent, en amé­lio­rant les méthodes de net­toyage et dés­in­fec­tion, de géné­rer de fortes éco­no­mies d’eau ou d’éner­gie dans de nom­breux domaines. Ensuite, l’u­ti­li­sa­tion et le contrôle des com­mu­nau­tés micro­biennes peuvent valo­ri­ser le recy­clage de la matière pre­mière, le trai­te­ment de l’eau et la désa­li­ni­sa­tion. De plus, la bio­tech­no­lo­gie aide éga­le­ment à la pro­duc­tion de pro­duits de chi­mie fine, res­pec­tueux de l’en­vi­ron­ne­ment, par exemple en uti­li­sant la bio­masse (bio­raf­fi­ne­rie) ou des enzymes spé­cia­li­sées qui néces­sitent moins de pro­duits chi­miques nocifs. Enfin, de nou­velles res­sources d’éner­gie durable sont éga­le­ment envi­sa­gées, par exemple en uti­li­sant des piles à bac­té­ries (MFC, micro­bial fuel cell) qui pro­duisent de l’élec­tri­ci­té à par­tir de sucre. 

Une discipline phare pour le siècle

En l’at­tente d’une législation
La réus­site de la bio­tech­no­lo­gie envi­ron­ne­men­tale dépend éga­le­ment de la mise en place d’une légis­la­tion favo­ri­sant les avan­cées scien­ti­fiques et les déve­lop­pe­ments tech­no­lo­giques qui visent à mini­mi­ser l’im­pact de la socié­té humaine sur l’environnement. 

La bio­tech­no­lo­gie envi­ron­ne­men­tale semble donc connaître un renou­veau pro­fond basé sur les pro­grès appor­tés par le sec­teur flo­ris­sant de la bio­tech­no­lo­gie et qui jus­qu’a­lors avaient été essen­tiel­le­ment appli­qués à la méde­cine. En étu­diant les méca­nismes molé­cu­laires du vivant, la bio­tech­no­lo­gie per­met de déve­lop­per et opti­mi­ser des bio­pro­cé­dés et tech­no­lo­gies propres qui pour­ront être appli­qués à une large gamme de sec­teurs indus­triels. Actuel­le­ment la prin­ci­pale source de pro­fits vient des sec­teurs tra­di­tion­nels où la bio­tech­no­lo­gie sert à amé­lio­rer les pro­ces­sus comme ceux de la bio­raf­fi­ne­rie et du trai­te­ment de l’eau. 

Des piles à bac­té­ries pro­duisent de l’électricité à par­tir de sucre 

Mal­gré un fort engoue­ment de la part des indus­tries et du public, il manque pour l’ins­tant aux efforts de recherche scien­ti­fique le déve­lop­pe­ment de solu­tions tech­niques com­mer­cia­li­sables. Afin d’é­tof­fer la gamme tech­no­lo­gique exis­tante, il fau­drait main­te­nant créer des entre­prises indé­pen­dantes dotées du maté­riel de labo­ra­toire adé­quat et capables d’op­ti­mi­ser le poten­tiel d’innovation. 

Enfin, la bio­tech­no­lo­gie envi­ron­ne­men­tale est une science for­te­ment mul­ti­dis­ci­pli­naire mais qui, mal­gré l’exis­tence de modèles sophis­ti­qués pour pré­dire la struc­ture des com­mu­nau­tés micro­biennes, reste encore très expé­ri­men­tale. Aujourd’­hui, l’é­co­lo­gie micro­bienne a besoin de fon­de­ments théo­riques afin d’ac­cor­der des modèles simples avec les concepts. Par exemple, une des­crip­tion mathé­ma­tique de motifs à l’é­chelle micro­sco­pique dans l’en­vi­ron­ne­ment per­met­trait, par inté­gra­tion, d’ar­ri­ver à des des­crip­tions macro­sco­piques conformes.

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