Des microbes mangeurs de PFAS en cours d’élaboration

Sur le Campus De Nayer de la KU Leuven à Wavre-Sainte-Catherine, des chercheurs développent de nouvelles techniques pour dégrader les PFAS dans les effluents, et par là améliorer la performance des stations d’épuration des eaux. En plus des procédés (électro)chimiques en cours de développement, les chercheurs collaborent avec l’Université d’Oxford pour créer des microbes capables de dégrader les PFAS via l’introduction de gènes spécifiques. Nous avons parlé au professeur Raf Dewil, attaché au Département Technologie du Génie chimique de la KU Leuven.

PFAS est le nom générique de plus de 6.000 composés chimiques combinant des groupes alkyles et perfluorés. Entièrement synthétiques, ils n’existent pas à l’état naturel. Vu leur capacité à résister à la chaleur et à repousser l’eau, les graisses et les salissures, on les utilise pour rendre les matériaux résistants à l’eau et aux graisses. C’est pourquoi ils sont largement utilisés dans les applications industrielles et les produits de consommation, comme les revêtements antiadhésifs des casseroles, les cosmétiques, les textiles, les mousses extinctrices, les produits de nettoyage et les lubrifiants. Les PFAS sont extrêmement stables et très peu biodégradables. « Cette propriété est d’ailleurs recherchée pour les applications dans lesquelles on les utilise », dit Raf Dewil. « Le polymère a une très grande stabilité chimique, que lui confèrent les atomes de fluor. Les stations d’épuration actuelles n’éliminent pas les PFAS, qui tendent donc à s’accumuler dans l’environnement, avec des effets négatifs à la clé. » L’UE limite l’utilisation de plusieurs de ces substances depuis 2006.

Dispersion

La dispersion des PFAS dans l’environnement est principalement le fait de la production industrielle. Les usines de galvanisation, de traitement du papier et de finissage des textiles sont les secteurs posant les plus grands risques de dispersion de PFAS. Les composés PFOS et PFOA étaient utilisés jusqu’en 2010 dans les mousses extinctrices destinées principalement aux feux chimiques et d’hydrocarbures. Les terrains d’entraînement des pompiers (dans les communes, l’industrie, les aéroports, etc.) et les sites où des feux importants étaient étouffés à l’aide de mousses extinctrices fluorées posent de grands risques de contamination des sols et des eaux souterraines. On retrouve également des PFAS dans le secteur des déchets : les sites d’enfouissement, les stations d’épuration des eaux et les incinérateurs de déchets traitent des matériaux contenant des PFAS.

Nouveaux procédés

Concrètement, les chercheurs sur le campus De Nayer à Wavre Sainte-Catherine développent de nouveaux matériaux capables de dégrader les PFAS dans un système de prétraitement des effluents d’ateliers industriels ou de systèmes d’assainissement des sols, par ex. avant le traitement effectif de ces effluents dans une épuration des eaux existante. Le procédé est selon Dewil très innovant. « Nous mettons les PFAS en contact avec un catalyseur réducteur qui élimine les atomes de fluor des molécules pour accroître leur biodégradabilité », explique Dewil. « Le procédé rend les composés PFAS effectivement dégradables, ce qui est certainement plus utile que les procédés conventionnels qui ne font que séparer les PFAS de la phase aqueuse par un procédé d’adsorption classique. Après le clivage des atomes de fluor, les molécules résiduelles défluorées restent dans l’eau, pour ensuite, dans l’idéal, être simplement dégradées dans un système biologique existant. »

Matériaux catalytiques

L’équipe du laboratoire de Raf Dewil développe de nouveaux matériaux capables de capturer et dégrader les PFAS. Concrètement, ils utilisent des matériaux solides, catalytiques et actifs, basés sur le charbon. « En contact avec l’eau chargée en PFAS, nos matériaux effectuent une réduction chimique des PFAS », explique Dewil. « Il suffit de laisser l’eau s’écouler sur le matériau. Il s’agit d’un matériau innovant, dont les surfaces sont traitées d’une certaine façon, par ex. en fixant sur celles-ci des composés métalliques spécifiques qui leur confèrent des propriétés réductrices. Nous optimisons encore ces surfaces pour les rendre les plus chimiquement réactives possibles, et ainsi dégrader les PFAS plus facilement et efficacement. Nous réfléchissons aussi à la meilleure façon de transposer ce procédé à l’échelle industrielle. En plus du catalyseur, nous utilisons un rayonnement UV et/ou un courant électrique. L’avantage du catalyseur solide est qu’il reste dans le système d’épuration, et n’est donc pas une source de pollution secondaire comme ce serait le cas s’il était emporté par l’effluent. Les techniques que nous développons peuvent également être utilisées en combinaison avec des procédés d’adsorption. »

Les PFAS dans le sol

La nouvelle technique de réduction peut également être utilisée pour assainir les sols pollués par des PFAS. « Pour épurer le sol, on peut envisager de percoler de l’eau pour extraire les PFAS », explique Dewil. « Dans un second temps, on élimine les PFAS du percolat. » Les nouvelles techniques développées par Raf Dewil sont beaucoup plus performantes que les techniques existantes. A ce jour, on utilise surtout des produits adsorbants pour capturer les PFAS, qui sont ensuite généralement détruits par incinération à haute température en même temps que le matériau adsorbant. « C’est une solution moins durable », explique Dewil. « Car il faut continuellement ajouter du matériau adsorbant frais dans le procédé d’épuration. »

Microbes

En aval du nouveau procédé d’épuration des PFAS, il est possible de prévoir une épuration des eaux classique, par ex. une épuration biologique, pour achever le traitement des eaux usées. Dewil croit encore beaucoup dans l’épuration biologique, basée sur l’action microbienne. Selon Dewil, les microbes peuvent certainement aider à dégrader les PFAS. Sa collègue, la professeure Lise Appels, a déjà réalisé de nombreux projets dans ce domaine. « Elle se concentre sur les aspects biologiques », dit Dewil. « Et moi sur le volet chimique. » Dewil croit que l’épuration biologique pourra à l’avenir également jouer un rôle dans l’élimination des PFAS. « Certains milieux sont fortement pollués par des PFAS », dit Dewil. « On y trouve des microbes qui se sont adaptés au fil du temps. Si vous attendez assez longtemps – cela peut être des dizaines d’années –, vous y trouverez des bactéries capables de dégrader les polluants. Nous essayons d’utiliser leur matériel génétique. A l’aide d’une technique spéciale, nous séparons des séquences du génome des bactéries pour les introduire dans la communauté microbienne d’une station d’épuration des eaux. Cela permet d’introduire la capacité à dégrader les PFAS dans l’épuration biologique. Vu que l’épuration biologique est généralement moins coûteuse, cela permettrait de réduire la taille du prétraitement chimique. »

Microbes

Raf Dewil collabore également avec l’Université d’Oxford pour l’ensemble du projet. A Oxford, ils développent une technique permettant d’introduire des gènes spécifiques dans une communauté microbienne. « Pour l’instant, ils s’efforcent d’améliorer la technique de fabrication des microbes », dit Dewil. « Nous étudions comment conférer à une communauté microbienne la capacité d’éliminer les PFAS, en particulier via l’introduction des gènes de dégradation des PFAS », dit Dewil. « Nous apprenons à ces microbes à se nourrir et tirer leur énergie des PFAS. »

Ultrasons

Le groupe de Dewil utilise également des ultrasons. « Les signaux ultrasons permettent d’ouvrir la membrane cellulaire des microbes », dit Dewil. « Cela permet d’introduire du matériel génétique (ADN) dans les cellules pour leur conférer la capacité de faire quelque chose qu’elles ne font pas d’habitude. La technique d’introduction de gènes n’est pas nouvelle. Elle a déjà été utilisée avec succès dans d’autres domaines, notamment pour la production de médicaments et molécules organiques de base, comme les antibiotiques. »

Résidus de médicaments

La KU Leuven a travaillé ces dernières années sur la dégradation des médicaments. Par le passé, le laboratoire de Raf Dewil et Lise Appels de la KU Leuven a déjà développé divers procédés permettant d’éliminer les résidus médicamenteux des eaux usées. « Cette expérience passée nous sert aujourd’hui pour développer des procédés d’élimination des PFAS dans les eaux usées », dit Dewil. « Les médicaments se dispersent dans l’environnement de diverses façons. La question est de savoir comment les extraire du milieu aqueux. Quelles modifications apporter aux installations existantes pour éliminer plus efficacement ces résidus de médicaments ? Pour l’heure, les stations d’épuration des eaux ne sont pas dimensionnées pour éliminer ces substances. »

Micropolluants

Les recherches sont menées sur le Campus De Nayer à Wavre Sainte-Catherine. Là-bas, des étudiants, des doctorants et des professeurs travaillent depuis 10 à 15 ans sur l’épuration des eaux. « L’élimination des micropolluants est un de nos principaux axes de recherche », dit Dewil. « Ce sont des polluants qui sont présents à de faibles concentrations, mais qui, malgré cela, peuvent avoir des effets nocifs. » Raf Dewil est attaché au Département Technologie du Génie chimique de la KU Leuven. Pour ses futurs projets de recherche, il souhaite plus que jamais collaborer avec des entreprises du secteur de l’eau. « Nous voulons valoriser nos nouvelles technologies et développer des applications au travers de partenariats avec des entreprises », dit Dewil. « Nous avons de nombreux antécédents de collaboration avec des acteurs industriels, incluant à la fois des entreprises d’épuration et des utilisateurs finaux. En ce sens, notre groupe est très proche du monde de l’entreprise. Notre objectif est de mener des recherches débouchant sur des résultats valorisables et pertinents pour la société. C’est pourquoi, en plus de développer ensemble de nouvelles technologies, nous réalisons également souvent des missions de conseil pour les entreprises. »

Le campus

Le Campus De Nayer est un des campus dédiés à la haute technologie de la KU Leuven (depuis 2013). La KU Leuven y offre des formations d’Ingénieur industriel dans divers domaines, dont les Technologies du Génie chimique. Le campus a une riche histoire : la première formation dédiée aux technologies a été initiée dans l’ancien Institut De Nayer en septembre 1922 (il y a tout juste plus de 100 ans) à l’initiative du cardinal Mercier et du professeur De Fays. Le campus doit son nom à Jan-Pieter De Nayer, qui était le premier directeur de cette première Ecole technique supérieure flamande.

« Pour l’instant, nous nous efforçons d’améliorer la technique de fabrication des microbes », dit Dewil.

« Avec les signaux ultrasons, nous pouvons ouvrir la membrane cellulaire des microbes », dit Dewil.

« Nous apprenons à ces microbes à se nourrir et tirer leur énergie des PFAS », dit Dewil.