Micro-organismes au sein d’écosystèmes « modifiés »

L’Université de Gand a mis en chantier plusieurs projets portant sur l’épuration des eaux. À titre d’exemple, un projet remarquable vise à maintenir la présence de micro-organismes à croissance lente, essentiellement des bactéries, au sein d’installations d’épuration des eaux. Nous en avons discuté avec Jo De Vrieze, maître de conférences à la Faculté de Bio-ingénierie. Ce dernier prône une épuration des eaux neutre en énergie.

Jo De Vrieze exerce les fonctions de maître de conférences à la Faculté de Bio-ingénierie dans le Département de Biotechnologie. Au sein de ce département, ce dernier est attaché au Centre d’écologie et de technologie microbienne (CMET) Il s’y consacre à l’écologie microbienne, à l’étude des communautés microbiennes mixtes ainsi qu’à leurs interactions mutuelles et environnementales, y compris dans le domaine de l’épuration des eaux. « Si aucun processus d’épuration des eaux ne peut être considéré comme un écosystème naturel, ces derniers reposent néanmoins sur la mise à contribution de micro-organismes naturels. À l’instar d’autres processus dans le cadre desquels nous avons recours à l’usage de micro-organismes, l’épuration des eaux peut être considérée comme un écosystème modifié », relate De Vrieze. Ce dernier se livre de surcroît à des recherches sur la digestion anaérobie, la réduction des sulfates et la production de protéines microbiennes. Il a recours à diverses techniques moléculaires pour observer le comportement mutuel de ces micro-organismes et étudier leur influence sur les paramètres de processus.

Environnement riche

De Vrieze croit fermement en l’épuration biologique des eaux, dans le cadre de laquelle les micro-organismes font oeuvre utile. Une installation d’épuration des eaux est un environnement riche caractérisé par la présence massive de nutriments et de matières organiques. « Un écosystème microbien est très structuré », relate De Vrieze. « Au sein d’un système aérobie ou anaérobie d’épuration des eaux, on observe toujours une compétition entre les micro-organismes essentiels au processus d’épuration. Nous avons coutume d’appeler ‘microbiome’ cette communauté microbienne en interaction avec l’environnement. Lorsqu’un intrus tente de se manifester au sein de ce microbiome, il est immédiatement attaqué. Ce combat fait toujours un vainqueur et son potentiel de prolifération revêt à cet égard une importance cruciale. Les micro-organismes dont la prolifération est rapide supplantent ceux dont la prolifération est plus lente. Leur prédominance risque de menacer l’existence de certains micro-organismes au sein du microbiome considéré ». Les universités de Gand (UGent) et de Louvain (KUL) développent une nouvelle technologie de maintien de la présence de micro-organismes à croissance lente, voire d’adjonction contrôlée de nouvelles bactéries dans les installations d’épuration des eaux. Concrètement, une technique de rétention des micro-organismes par le biais d’une encapsulation artificielle est en cours de développement. « Nous allons les placer dans un cocon protecteur pour en prévenir la prolifération », précise De Vrieze. « Ainsi, ces micro-organismes pourront tout de même se manifester. Nous sommes en train de procéder à des tests en aérobie assortis d’une nitrification. L’encapsulation est temporaire car elle repose sur des composants biodégradables afin de ne libérer aucun produit chimique toxique ou persistant dans l’environnement. »

Substance à base d’algues

Pour ce faire, nous travaillons entre autres avec de l’alginate, une substance à base d’algues. Cette substance se décompose progressivement, mais elle permet aux micro-organismes de se manifester et de remplir leur mission », souligne De Vrieze. « Cette nouvelle méthode permet de maintenir certains micro-organismes au sein d’une installation d’épuration des eaux en dépit des règles prévalentes. Nous empêchons la décomposition des cellules. Ce système nous permet de l’esquiver. Elle présente le grand avantage d’autoriser la poursuite de certains processus au sein d’une installation d’épuration des eaux. » Récemment, notre professeur s’est lancé dans des recherches portant sur l’organisation tridimensionnelle. Des recherches sur les structures microbiennes 3D seront également menées dans ce cadre », précise De Vrieze. Nous allons étudier la collaboration entre micro-organismes. Cette collaboration pourrait s’avérer importante pour la gestion de processus. « Nous allons nous pencher sur le comportement mutuel des micro-organismes. Nous pensons en particulier à la production de biogaz à partir d’eaux usées organiques. Je pense qu’une connaissance plus approfondie de l’organisation 3D des communautés microbiennes débouchera sur de nouveaux processus et ouvrira des perspectives inédites dans le domaine de l’économie circulaire biosourcée. » Jo De Vrieze demande au secteur de l’eau de lui faire part de tout problème concret susceptible d’être résolu de la sorte.

Neutralité énergétique

Les processus d’épuration des eaux reposaient initialement sur le principe d’une élimination totale. Aujourd’hui, les spécialistes mettent davantage l’accent sur la récupération de toutes les substances présentes dans l’eau. Les matières organiques que contiennent les eaux usées possèdent une certaine valeur énergétique », relate De Vrieze. « Une installation d’épuration des eaux peut être considérée comme une sorte de bioraffinerie. Nous avons la possibilité de valoriser sérieusement la biomasse formée lors de l’épuration des eaux. La récupération de matières organiques se prête à la production d’énergie. Dès lors, nous pouvons même tendre vers une épuration des eaux à bilan énergétique positif. Nous devons miser sur la neutralité énergétique. À cet égard, nous avons d’ores et déjà pris diverses initiatives. De tels projets nous permettront de réduire notre dépendance vis-à-vis des matières premières primaires. Nous considérons encore les eaux usées comme des déchets dont nous devons nous débarrasser, alors qu’il s’agit en réalité de matières premières secondaires. Si toutes les eaux usées de la planète étaient épurées et les déchets éliminés comme nous le faisons aujourd’hui en Belgique, l’énergie produite par la totalité des centrales nucléaires n’y suffirait pas. » Le biogaz pourrait jouer un rôle crucial dans ce domaine. Cela fait plus de dix ans que De Vrieze étudie la production de biogaz à partir de flux de déchets organiques tels que la biomasse formée lors de l’épuration des eaux ou des flux de déchets agricoles. « Ce biogaz pourrait jouer un rôle crucial quant à la neutralité énergétique de l’épuration des eaux, dans la mesure où il se prête tantôt à la production d’électricité tantôt à celle de biométhane, ce gaz vert dont la composition comparable à celle du gaz naturel en autorise l’injection sur le réseau de distribution », relate De Vrieze. « En Belgique, la production actuelle de biométhane ne représente toutefois que 0,006 % de nos besoins en gaz naturel. Par conséquent, nous avons encore pas mal de pain sur la planche. »

Flux résiduels agricoles

De Vrieze estime également que le potentiel des projets décentralisés est considérable. Il est convaincu du potentiel que présente la production décentralisée d’énergie. En collaboration avec la KU Leuven, la Vrije Universiteit Brussel (VUB) et l’Université de Gand, Inagro va se lancer, dans le cadre du projet FWO-SBO Biogas-MAMBO, dans la purification du biogaz jusqu’à l’obtention d’une qualité suffisante pour produire des protéines microbiennes susceptibles d’entrer dans la préparation d’aliments pour poissons. « Nous nous penchons sur la conversion du biogaz en biométhane », relate De Vrieze. Nous pourrons l’affecter à la production de protéines microbiennes, comme alternative au lait, à la viande et au soja. » De Vrieze estime que le potentiel du biogaz est considérable. « En Suède, des chercheurs sont parvenus à convertir le biométhane en carburant pour véhicules. En atteste la mise en circulation d’un autobus au biogaz. Cet exemple montre que les possibilités sont réelles. Ainsi, nous réduirons notre dépendance par rapport aux carburants fossiles. Cependant, la valeur marchande du gaz naturel en tant que tel est assez faible, mais elle est en train d’évoluer à la hausse par rapport à celle du biométhane. » La valorisation du biogaz ou du biométhane constitue dès lors une nouvelle alternative économiquement viable de valorisation indirecte des flux de déchets organiques sous forme de protéines microbiennes.

Roselières ou alternatives

Notre professeur est également convaincu du potentiel d’autres systèmes d’épuration décentralisés, tels que les roselières. « L’épuration des eaux noires (déjections humaines essentiellement) par le biais de roselières est largement utilisée en Inde », relate De Vrieze. « Ce mode d’épuration permet de réaliser des économies infrastructurelles, tout en assurant l’épuration des eaux noires. Une autre option consiste à convertir ces eaux noires en biogaz et à fournir aux populations un combustible durable produit de manière décentralisée à partir de leurs flux de déchets. Les matières fécales sont également susceptibles d’être granulées, puis brûlées. » De Vrieze est également impressionné par les projets de revalorisation d’ores et déjà menés à bien en Belgique. Le projet gantois Nieuwe Dokken porte sur la séparation des eaux usées domestiques. « Une toilette à dépression permet de créer un flux concentré dont la teneur en eau est faible. À ce stade, la fermentation de ce flux peut s’opérer. La plupart des habitations sont raccordées à un réseau d’égouts. Les perspectives de séparation des matières fécales pour les convertir éventuellement en biogaz sont réelles. »

Granules

De Vrieze croit fermement à la technologie du lit de boue anaérobie à flux ascendant (réacteur UASB). « Cette technique repose sur l’emploi d’une biomasse composée de micro-organismes dont la croissance s’opère dans des granules », relate De Vrieze. « En raison de leur concentration très élevée, l’extraction sans peine de la composante liquide des eaux usées épurées constitue un outil particulièrement puissant. Dans les années à venir, je vais surtout me pencher sur l’organisation des granules. Les micro-organismes producteurs de méthane (archées méthanogènes) en forment le noyau. Les autres micro-organismes se situent plutôt à la périphérie. Ce processus me passionne depuis une dizaine d’années. À cette fin, nous travaillons aussi avec des partenaires industriels. »

Soufre

Selon De Vrieze, l’extraction du soufre que contiennent les eaux usées est également envisageable. « Le soufre est une substance dont nous avons absolument besoin. Il s’agit là de l’un des éléments constitutifs majeurs de notre organisme. Il en va de même pour l’extraction du phosphore. La présence de chlorure de fer provoque la précipitation du phosphore. Mais hélas, son évacuation avec les boues en entraîne la perte. Si nous parvenons à extraire de nombreuses matières premières des eaux usées, nous en deviendrons moins dépendants. À cet égard, les micro-organismes sulfato-réducteurs pourraient s’avérer d’une grande utilité. Si certaines entreprises éprouvent des difficultés à traiter leurs eaux usées, rien ne s’oppose à la mise en place d’une collaboration spécifique dans ce domaine. »

Jo De Vrieze :

« Si nous parvenons à extraire de nombreuses matières premières des eaux usées, nous en deviendrons moins dépendants. »

« Si aucun processus d’épuration des eaux ne peut être considéré comme un écosystème naturel, ces derniers reposent néanmoins sur la mise à contribution de micro-organismes naturels. »

« Les matières organiques que contiennent les eaux usées possèdent une certaine valeur énergétique. »