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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