Les biogéosciences,
des outils pour faire face
aux défis environnement

L’amélioration de la connaissance et de la maîtrise des processus biogéochimiques ouvre des voies très prometteuses dans les domaines du traitement des déchets, de l’extraction des métaux, de l’économie circulaire, du stockage géologique et de la remédiation des sites et sols pollués. À la clé, des réponses innovantes aux grands enjeux du développement durable.

Enjeux de recherche

CONNAÎTRE ET EXPLOITER DE MANIèRE
OPTIMISÉE LES POTENTIALITÉS DES
MICRO-ORGANISMES DE L’ENVIRONNEMENT

La compréhension croissante des phénomènes impliquant des micro-organismes en milieu naturel trouve des applications de plus en plus nombreuses en matière de remédiation de l’environnement, de l’économie circulaire et de la transition énergétique. Avec les biogéosciences, le BRGM dispose de nouveaux outils pour répondre aux grands défis sociétaux.

PAR DOMINIQUE MORIN
responsable valorisation, innovation et propriété intellectuelle à la direction du développement du BRGM
ET FABIENNE BATTAGLIA-BRUNET
responsable scientifique de programmes au sein de l’unité géomicrobiologie et monitoring environnemental du BRGM.

Réacteur de biolixiviation pour la récupération du cobalt à partir de pyrites cobaltifères (Projet KCC, Ouganda)
Réacteur de biolixiviation pour la récupération du cobalt à partir de pyrites cobaltifères (Projet KCC, Ouganda). © BRGM - Dominique Morin

L’irruption de la microbiologie dans la géologie est intervenue il y a environ une cinquantaine d’années, avec la découverte de micro-organismes chimio-lithotrophes utilisant des composés minéraux comme source énergétique. À la même époque, une étude sur la migration de l’or par des bactéries au Sénégal faisait grand bruit, ouvrant la porte à de premiers travaux sur la biolixiviation, phénomène naturel de catalyse biologique utilisé pour extraire des métaux.

Dans les années 80, le BRGM a ainsi développé, de l’échelle laboratoire à l’échelle industrielle, un procédé de bio-hydrométallurgie appliqué en Ouganda sur un site d’extraction de cuivre qui avait engendré plus d’un million de tonnes de résidus sous la forme de concentré de pyrite, riche en cobalt. Entre 1998 et 2014, date d’épuisement de la ressource, le projet KCC (Kasese Cobalt Company), grâce à la sélection d’un consortium bactérien adapté, a permis d’extraire 800 tonnes de cobalt par an, démontrant la fiabilité d’un tel procédé biotechnologique. Sur le même principe, le BRGM a développé diverses techniques permettant de dégrader le cyanure utilisé en solution dans les effluents de procédés de récupération de l’or, ou le phénol présent dans des sables de fonderie, afin d’en permettre la réutilisation. Depuis lors, la micro-biologie a progressivement investi le champ des géosciences.

Encore de nombreux verrous scientifiques

Tirer parti des propriétés naturelles des bactéries requiert en premier lieu d’observer leurs populations dans un milieu donné, d’en faire l’écologie et d’en isoler les processus les plus remarquables puis d’être en mesure de concentrer ceux-ci pour obtenir des performances suffisantes (techniques, économiques...) permettant de développer un véritable procédé industriel.

Dans le cadre du projet Selenas, carottage à Marcilly-en-Gault (en mars 2017)
Carottage à Marcilly-en-Gault lors du projet Selenas afin d’étudier l’arsenic et le sélénium présents dans les eaux souterraines.
© BRGM - F. Battaglia-Brunet

La biogéochimie s’intéresse ainsi aux réactions chimiques influencées par le vivant, oxydation, réduction, méthylation, et aux paramètres qui les gouvernent. Il importe, par exemple, de comprendre comment le vivant est susceptible d’induire des modifications dans la forme des métaux et des métalloïdes avec une incidence sur leur toxicité, des enseignements mis à profit dans le traitement d’effluents miniers concentrés en métaux lourds, notamment.

Mais de nombreux verrous scientifiques se dressent sur le chemin du chercheur, qui tiennent d’abord au caractère potentiellement déséquilibré, car contaminé, des milieux concernés par la mise en œuvre de procédés biotechnologiques : eaux et sols pollués, déchets, minerais... riches en molécules très agressives envers toute forme de vie. Le contrôle des processus mis en œuvre, pour en garantir la maîtrise et éviter d’induire un risque supplémentaire pour le milieu, en particulier sanitaire, est un autre défi scientifique.

L’environnement en première ligne

S’agissant des milieux pollués ou susceptibles de l’être, eaux ou sites et sols, l’enjeu est aujourd’hui d’apporter aux gestionnaires des recommandations sur les pratiques optimales de protection, de gestion ou de restauration en documentant plus encore les processus d’activité des micro-organismes. Ainsi en va-t-il du projet Selenas (sélénium et arsenic dans la nappe de Beauce-Sologne, soutenu par l’Agence de l’Eau Loire Bretagne) grâce auquel le BRGM recherche comment – sous certaines conditions – les apports de nitrates pour fertiliser les sols seraient susceptibles de stimuler l’activité de bactéries favorisant la libération dans la nappe d’éléments indésirables issus du fonds géochimique naturel. La relation entre les processus biogéochimiques et l’évolution du sol et des eaux est au cœur d’autres recherches qui visent, pour leur part, la refonctionnalisation des sols et leur restauration en fonction de certains usages possibles. La connaissance de la microbiologie de chaque compartiment de l’environnement, qui requiert une expertise spécifique, s’avère indispensable et constitue souvent le socle de ces avancées.

Économie circulaire, énergie...
Images MEB de cultures de bactéries issues d’un environnement pollué en présence de nanoparticules de fer
Images MEB de cultures de bactéries issues d’un environnement pollué en présence de nanoparticules de fer. © BRGM

Le domaine de l’économie circulaire est également directement concerné par les procédés biotechnologiques (voir plus haut) et le BRGM continue de s’y impliquer, avec en particulier le projet ANR IngeCost-DMA, coordonné par le laboratoire HSM Montpellier, dédié à la récupération de métaux – avec dépollution associée – dans des drainages miniers acides. Il est également partie prenante dans plusieurs nouveaux projets visant l’extraction par voie biologique de métaux à partir de déchets ou de stériles miniers (voir « Avancées de la recherche »).

En matière énergétique, l’influence des bactéries dans la corrosion des installations géothermiques (voir « Témoignage ») a été documentée avec l’aide du BRGM, et plusieurs projets de recherche sur le stockage géologique de CO2 intègrent le facteur biologique.

La biochimie, profitant des avancées constantes de la biologie moléculaire, est aujourd’hui totalement intégrée à la géochimie. Toutes les disciplines des sciences de la Terre en tirent profit et les perspectives ouvertes sont multiples.

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Avancées du brgm

BIO-HYDROMÉTALLURGIE,
APRèS-MINE, SUIVI ENVIRONNEMENTAL

Plusieurs projets récents de recherche du BRGM mobilisent l’expertise de la biochimie, de la géochimie, de la biogéochimie isotopique ainsi que les bioprocédés pour répondre à des questionnements et besoins sociétaux touchant aux ressources naturelles et à l’environnement. Visant l’optimisation des processus de biolixiviation pour extraire des métaux depuis des déchets ou des ressources non conventionnelles, ils portent également sur le traçage biologique des gaz de l’environnement minier ou encore le suivi bactérien des eaux souterraines.

PROJET ECOMETALS : LA RÉCUPÉRATION DE MÉTAUX STRATÉGIQUES PAR BIO-HYDROMÉTALLURGIE

Étude des phénomènes physico-chimiques intervenant dans la biolixiviation des minerais sulfurés
Opération de filtration par filtre-presse après biolixiviation de minerais à cuivre (et avant traitement aval de récupération des métaux). © BRGM

L’augmentation de la demande en matières minérales et en métaux impose de se tourner vers des gisements primaires de plus en plus profonds, souvent appauvris en métaux et à la minéralogie complexe, mais également vers les ressources secondaires que constituent les résidus miniers historiques.

La faible teneur en métaux de ces ressources, pour lesquels les procédés conventionnels de traitement (pyrométallurgie et hydrométallurgie) s’avèrent beaucoup trop coûteux, a conduit le BRGM à développer des procédés
bio-hydro-métallurgiques fondés sur le processus de biolixiviation. Déjà expérimentée avec succès à l’échelle industrielle, notamment pour extraire du cobalt dans des résidus miniers en Ouganda (KCC), cette technique mobilise des familles de micro-organismes capables de dégrader les minéraux sulfurés et de libérer les métaux présents sous forme soluble. Mais de nombreux verrous scientifiques, techniques et économiques demeurent pour adapter les procédés aux caractéristiques des ressources visées.

Déchets miniers et ressourcesnon conventionnelles

EcoMetals est un projet franco-allemand (ANR-BMBF), co-coordonné par le BRGM et l’organisme de recherche HZDR, avec une vingtaine de partenaires publics et privés. Il porte sur la mise au point de nouveaux procédés de traitement visant des résidus miniers mais également des cibles non conventionnelles, en l’occurrence des schistes noirs à métaux, en Allemagne et Pologne. Les recherches portent sur la caractérisation des ressources et l’amélioration des performances du prétraitement de concentration du minerai (notamment la flottation et la réduction des quantités de réactifs chimiques utilisés, en lien avec la présence de matière organique, pénalisante). L’optimisation de la mise en solution des métaux par biolixiviation est un autre grand enjeu, requérant l’amélioration des conditions du traitement (apport d’oxygène et de CO2, maîtrise des transferts – gaz, solide, liquide –, paramètres d’agitation du réacteur, monitoring bactérien...) avant la récupération des métaux d’intérêt (cuivre, zinc, plomb, argent...).
Ces travaux, en phase d’achèvement, ont permis des avancées significatives en termes de mise en solution et de récupération sélective des métaux, ouvrant la perspective d’un démonstrateur à plus grande échelle.

APRèS-MINE : UN KIT D’ANALYSE DES éMISSIONS GAZEUSES

Prélèvement de gaz sur le sondage La Lunelle.
Prélèvement de gaz sur le sondage La Lunelle. © Pierrick Defossez

Le département Prévention et sécurité minière du BRGM, chargé du suivi des concessions minières après exploitation, a notamment pour missions de gérer les anciennes installations et d’assurer la prévention des risques et la sécurité des biens et des personnes. À ce titre, il assure un suivi des gaz de mine, en particulier du méthane qui s’échappe des anciennes exploitations houillères. Objectifs : qualifier et mesurer les rejets de ce gaz et prévenir les risques explosifs qui pourraient impacter les populations riveraines. Dans ce contexte, la discrimination des sources de gaz est essentielle pour le suivi des installations et l’adoption de mesures de gestion appropriées.

S’agit-il de méthane thermogénique (produit par la décomposition thermique du matériau organique enterré, en l’occurrence le charbon, suivant un phénomène de désorption) et en quelle proportion ? Ou une partie du gaz est-elle d’origine biologique (on parle alors de méthane biogénique, fruit d’un processus de méthanogénèse), issue de sources extérieures à la mine (transport de gaz naturel...) ou de processus biologiques intervenant dans le toit des exploitations houillères ?

Un objectif de discrimination des sources

On sait que l’ennoiement progressif des mines après abandon de l’exploitation est responsable de la remontée vers la surface du méthane thermogénique par augmentation de la pression, le gaz s’échappant via les anciens puits, les sondages de décompression et du fait de la perméabilité et/ou des fractures du réservoir minier. L’eau elle-même est chargée en gaz et des transferts sont susceptibles d’intervenir à travers l’aquifère, avec des transformations possibles liées à la présence de micro-organismes dans l’eau et les milieux traversés (grès...). Il est également probable que le temps de transport vers la surface ait une influence sur la nature du gaz. Sourcer l’origine du gaz émis en surface grâce aux analyses isotopiques constitue aujourd’hui un nouveau chantier ouvert au BRGM.

Les recherches engagées visent à la compréhension du fractionnement isotopique du méthane en vue de déterminer son origine, élément clé d’une future « boîte à outils » de caractérisation du gaz. Ce véritable kit doit également permettre de mesurer la présence ou l’absence de bactéries méthanogènes ou encore d’identifier l’origine du méthane via l’analyse isotopique comparée d’autres gaz présents dans le mélange gazeux, tels l’argon et le néon (voir aussi « Focus »).

PROJETS KAMERA ET BIODISSPOL : DES BIOMARQUEURS POUR DIAGNOSTIQUER LES SITES POLLUÉS

Les composés polluants émis par l’industrie chimique dans les sols et les eaux sont tous susceptibles d’être dégradés ou transformés par des micro-organismes, ouvrant la perspective de processus de bioremédiation écologiques et à moindre coût.
Mais une évaluation fine des panaches de pollution et l’identification du potentiel de biodégradation sont des prérequis indispensables à toute démarche en ce sens.
Pour y parvenir, le recours à des biomarqueurs microbiens est une piste prometteuse, dont l’étude par le BRGM a démarré avec le projet Kamera en 2010.

Biologie moléculaire et mesures isotopiques

Les travaux du projet Kamera, premier du genre, ont été conduits sur un site industriel d’électrochimie ayant généré une pollution historique par des dérivés organiques et inorganiques du chlore dans la nappe souterraine à l’aplomb des installations.

Observation de la viabilité bactérienne grâce à la technique de microscopie Live&Dead
Observation de la viabilité bactérienne grâce à la technique de microscopie Live&Dead : les cellules bactériennes vertes correspondent aux bactéries vivantes et les rouges aux bactéries non vivantes au moment du marquage. © BRGM - Marc Crampon

Après une étape d’extraction d’ADN et d’analyse de l’empreinte génétique de la communauté microbienne présente, des recherches des gènes spécifiques qui « codent » les activités de dégradation ont été effectuées. En parallèle, des mesures d’activité permettant de valider un potentiel de dégradation par les bactéries présentes ont été conduites. L’objectif de cette double approche était de relier l’abondance des gènes spécifiques au potentiel de biodégradation des polluants présents dans la nappe, afin d’établir un véritable diagnostic des capacités naturelles d’atténuation de la pollution susceptible d’orienter la stratégie de gestion du site (par exemple, un potentiel de dégradation peut être stimulé par des interventions ponctuelles sur le substrat, les nutriments, l’oxygénation...).

Cette étude a ouvert la voie à de nouveaux travaux en collaboration avec l’Univsersité de Strasbourg et la PME Genoscreen, tel le projet Ademe BioDISSPOL (2015-2018). Sa finalité est de démontrer, sur une nappe souterraine contaminée par des solvants chlorés, l’applicabilité des biomarqueurs moléculaires en combinaison avec des mesures de fractionnement isotopique pour le suivi de la dégradation des polluants.

Ces différentes recherches, qui visent la généralisation de l’utilisation d’indicateurs microbiens en plus des protocoles existants (fondés principalement sur des mesures de paramètres physico-chimiques et la recherche de métabolites), devraient aboutir à la mise au point d’une boîte à outils pour la gestion des sites et sols pollués intégrant l’écologie microbienne moléculaire.

FOCUS par Wolfram KLOPPMANN

LA BIOGÉOCHIMIE ISOTOPIQUE

Les communautés bactériennes présentes dans les sites, sols et eaux contaminés par des polluants organiques, sont responsables de réactions biochimiques successives au sein de ces milieux. Puisant leurs nutriments dans la matière organique et ayant besoin de sources d’oxygène, ces micro-organismes engendrent une biodégradation des molécules concernées avec pour conséquence une atténuation « naturelle » de la charge polluante.
Ce processus est étroitement lié au fractionnement isotopique, véritable marqueur de l’activité bactérienne.

Pour « tracer » les polluants

Lorsqu’elles attaquent la matière organique, les bactéries « sélectionnent » les isotopes légers, entraînant une diminution progressive de ceux-ci dans les polluants résiduels au profit des isotopes les plus lourds.
En présence de nitrates dans une eau souterraine, par exemple, certains micro-organismes cassent plus facilement le lien entre l’azote 14, isotopiquement le plus léger, et l’oxygène, en délaissant l’azote 15 plus lourd. Ainsi, avec l’évolution du processus de dénitrification, la présence d’isotopes lourds (azote 15) dans les nitrates restants augmente, en même temps que la concentration globale en nitrates baisse.
Le suivi isotopique (au fil du temps ou au sein des divers compartiments d’un milieu, tel un panache de pollution), est ainsi un moyen sûr d’identifier l’activité bactérienne à l’œuvre (et même parfois la nature des micro-organismes impliqués) mais également de mesurer l’atténuation naturelle d’une pollution et son évolution, et de zoner les taux de dégradation grâce à la signature isotopique des composés visés.
Les applications de la biogéochimie isotopique sont nombreuses, le plus souvent fondées sur une approche multi-isotopique, dans les domaines de la dépollution, de la forensie environnementale (traçage de l’origine d’une pollution) ou encore (voir « Avancées de la Recherche ») pour déterminer l’origine (biologique ou thermogénique) d’un gaz.

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Institut Carnot BRGM

Une thèse dédiée aux processus de biolixiviation

Modéliser les processus de biolixiviation afin d’être en mesure d’améliorer les procédés de récupération de métaux dans des ressources à faible teneur : c’est l’enjeu d’une thèse* coencadrée par le BRGM et le LRGP dans le cadre du ressourcement Carnot.

PAR ANNE-GWENAËLLE GUEZENNEC
Co-encadrante au titre du BRGM

Banc de réacteurs batch pour l’étude des phénomènes physico-chimiques
Banc de réacteurs batch pour l’étude des phénomènes physico-chimiques intervenant dans la biolixiviation des minerais sulfurés. © BRGM - Ménard

La biolixiviation, technique d’extraction de métaux fondée sur l’utilisation de bactéries capables de les convertir de la forme solide à la forme soluble (voir aussi l’article « Ecometals ») est une alternative aux traitements pyrométallurgiques conventionnels pour récupérer des métaux dans des ressources minérales sulfurées. Optimiser le procédé pour le rendre plus fiable et moins coûteux, et ainsi développer son application aux ressources secondaires de types déchets miniers – ressources potentielles devenues stratégiques – est un enjeu de recherche majeur.

Modéliser pour optimiser

« L’injection et la dispersion d’oxygène, explique Anne-Gwenaëlle Guezennec, nécessaires aux processus d’oxydation et de solubilisation des métaux dans les réacteurs, requièrent beaucoup d’énergie. La réduction des coûts induits par cette technique permettrait d’assurer une plus grande polyvalence/agilité du procédé et son déploiement industriel sur des ressources variées. »

C’est l’objet de la thèse qui démarre cet automne sur financement Carnot et sous pilotage conjoint du BRGM et du Laboratoire Réaction et génie des Procédés (LRGP – CNRS Nancy). Elle vise à modéliser les processus de biolixiviation avec un objectif d’optimisation des procédés.

« Cette thèse, poursuit A.-G. Guezennec, co-encadrante au titre du BRGM, va s’appuyer sur plusieurs recherches déjà conduites au BRGM dans le cadre du programme européen Promine, ainsi que sur des travaux récents ayant exploré plusieurs voies d’amélioration des procédés de biolixiviation tels Lixo2, Ecometals ou encore Ceres. Son objectif est de développer un modèle permettant de décrire les différents phénomènes de transport dans une cuve de biolixiviation aérée et agitée, en lien avec l’activité biochimique, afin de simuler l’environnement bactérien et son évolution au cours de la biolixiviation. Les principaux verrous scientifiques portent sur les couplages des différents phénomènes en milieu triphasique, gaz, liquide, solide. »

La thèse comportera des développements méthodologiques.

* Étude du microenvironnement bactérien dans un réacteur agité et aéré de biolixiviation : apport de la modélisation des phénomènes de transport en milieu triphasique.