Biodégradation des hydrocarbures

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Biodégradation des hydrocarbures (Français) / biodegradation of hydrocarbons (Anglais) / التحلل البيولوجي الكربوهيدرات (Arabe)

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La biodégradation, ou décomposition biologique, résulte de l'action d'un produit biodégradable qui, laissé à l'abandon, est détruit par les bactéries ou d'autres agents biologiques. Elle est unebio-transformation d'un produit biodégradable avec une série de processus par lesquels les systèmes vivants rendent les produits chimiques moins nocifs pour l'environnement. Autrement exprimé, c'est aussi une dégradation de la matière organique ou d'agents polluants par les êtres vivants. Elle peut conduire à une bio-détérioration. Ainsi, la biodégradation est la dissolution chimique des matériaux par des bactéries ou d'autres moyens biologiques. Bien souvent confondu, le biodégradable est distinct, au niveau du sens, decompostable. Bien que le terme de biodégradable, pour des matières, indique simplement qu'elles peuvent être "consommées", réduites, par les micro-organismes pour revenir à des composés simples trouvés dans la nature; "compostable" indique que ces mêmes matières se décomposent spécifiquement dans un tas de compost, via le plus souvent, un composteur. Par définition, le terme est souvent utilisé en relation avecl'écologie, avec la gestion des déchets, dela biomédecine et de l'environnement naturel, avec la bio-remédiation. La biodégradation est maintenant couramment associée avec des produits respectueux de l'environnement qui sont capables de se décomposer de nouveau en éléments naturels. Les matières organiques peuvent être dégradées en milieu aérobie avec l'oxygène, ou en milieu anaérobie sans oxygène. Le bio-tensioactif, un agent extracellulaire sécrété par les micro-organismes, améliore le processus de biodégradation. Par exemple, la biodégradation est la décomposition des substances inorganiques et organiques par action biologique, un processus impliquant généralement des bactéries et des champignons, appelés saprobiontes lorsque le substrat est biologique. La décontamination par voie biologique consiste donc à stimuler un phénomène naturel pour en augmenter le rendement afin de détruire les polluants (hydrocarbures pétroliers) qui seront utilisés comme source de Carbone. La décontamination se fait in-situ en introduisant dans le sol les éléments nutritifs nécessaires au développement de la biomasse ou bien en ex-situ en traitant le sol excavé. Cette technique peut être réalisée par plusieurs procédés tel queles bio-pilles, bioréacteurs,champignons et bactéries.La biodégradation est l’élément clé du devenir des polluants organiques dans les sols et aquifères. Seule la biodégradation peut, dans ces milieux, assurer l’élimination complète par minéralisation du polluant. Donc, elle constitue un processus essentiel de l’épuration d’un milieu pollué dont la maîtrise exige des connaissances approfondies du métabolisme et de l’écologie des systèmes Les hydrocarbures constituent une source de carbone et d’énergie pour les micro-organismes rependus dans l’environnement marin (bactérie, moisissures, champignons et levures) responsables de la transformation des hydrocarbures en produits oxydés Par exemple, l’espècePseudomonas putida souche HS12 qui dégradeles NitrochloroBenzène . La conception, largement répondue récemment, montre que les produits pétroliers sont entièrement biodégradables et que les bactéries édaphiques sont, en premier, responsables de leur dégradation car elles peuvent utiliser ces hydrocarbures comme source de Carbone. Mais certains champignons peuvent en faire autant.Les expériences variées conduites au laboratoire avec différents types de Pétrole aboutissent à des résultats difficilement applicables à l’environnement naturel. On admet aujourd’hui que presque tous les constituants du Pétrole sont biodégradables, mais que la vitesse de dégradation est très variable et peu connue dans les conditions naturelles. La biodégradation consiste à transformer les hydrocarbures en Dioxyde de Carbone (CO2),en Eau, en Ions, Nitrates, Phosphates ou en Sulfates. Les polluants organiques peuvent être traités par des méthodes biologiques, c’est-à-dire que sont les micro-organismes qui vont dégrader les éléments nocifs ; ceci rend le processus de dégradation plus adapté à l’environnement, puisque les polluants ne sont pas transformés mais détruits.La science a montré que la plus part des composés carbonés et même quelques molécules minérales peuvent être dégradées par l’action des micro organismes. Ces méthodes peuvent être utilisées pour la décontamination des sols. La biodégradation des hydrocarbures est une oxydation biochimique opérée par des micro-organismes. Elle met en jeu des processus d’oxydation qui aboutissent à la formation des hydrocarbures de poids moléculaire plus faible, appelé « bio-conversion ». Elle contribue aussi à la formation de gaz carbonique, d’eau, de sels minéraux et de biomasses lorsque la réaction est complète. Mécanismes de la biodégradation La biodégradation est un processus qui se fait par étapes, impliquant différents micro-organismes qui agissent en concert ou en succession pour provoquer la biodégradation des substances organiques . La biodégradation aérobie des hydrocarbures pétroliers constitue la voie principale de détoxification et d’élimination des substances organiques.Le mécanisme biochimique de la biodégradation des hydrocarbures dépend de la nature et la quantité du substrat, du type de micro-organismes et de l’environnement extérieur. L’oxygène joue un rôle principal durant tout ce processus. Deux (02) cas peuvent se présenter : - L’hydrocarbure est transformé en un ou plusieurs composés intermédiaires à partir desquels sont élaborés les constitutions de la cellule.- L’hydrocarbure subit une transformation chimique sans qu’il participe à la croissance du micro-organisme. Des expériences ont montré que la plus part des bactéries ont une préférence pour les n alcanes par rapport à d’autres hydrocarbures. Les naphténiques sont moins dégradés, les aromatiques (CnH2n-6) sont les plus résistants.Les méthodes biologiques ont le mérite d’être des technologies propres qui permettent une dégradation de polluants sans risque majeur d’engendrer une autre pollution. Leur aspect très économique les rend très à la mode d’autant plus que des rendements très intéressants ont été obtenus à des coûts attractifs en plus de leur application facile. la pollution des sols par les hydrocarbures peut être chronique comme accidentelle et ces derniers peuvent persévérer longtemps lorsqu’elles sont dissimulées dans les sols et les nappes aquifères. Les causes majeures de cette pollution sont les activités industrielles qui génèrent une multitude de composés qui peuvent être toxiques pour les organismes vivants telles que l’extraction, la transformation et l’utilisation des produits pétroliers qui par leurs rejets industriels peuvent contaminer notre environnement : le sol, l’eau, l’air etla biosphère. Les traitements physico-chimiques proposés sur site ou après excavation des sols, sont coûteuses et non respectueuses des écosystèmes. Il est donc primordial de mettre en œuvre des moyens de dépollution des sites contaminés par des micro-organismes. C’est une technique connue sous le nom debio-remédiation, elle est commode pour leshydrocarbures pétroliers tels que le gas-oil, kérosène etfioul. La réduction de la pollution qui en résulte, est exploitée dans des procédés visant à décontaminer les sites pollués tout en conservant l’intégrité de l’écosystème. La pollution des sols aux hydrocarbures I.2. Les hydrocarbures Les hydrocarbures sont des composés organiques formés exclusivement d’atomes de carbone et d’hydrogène, ils ont pour formule brute CnHm où « n » et « m » sont deux entiers naturels. De par leur abondance naturelle, ils font partie des produits chimiques les plus importants pour l’humanité et sont notamment utilisés comme source d’énergie primaire.On distingue trois (03) séries distinctes des Hydrocarbures : La série des hydrocarbures saturés, la série des insaturés et celle des aromatiques. I.1.3. Nature et classification des hydrocarbures Les hydrocarbures, que l’on appelle communément Pétrole ou Huile, sont des composés refermant essentiellement des atomes de Carbone et d’Hydrogène. Le Pétrole est aussi désigné sous le nom de « Brut » , qui est un liquide noir quelquefois avec des reflets verdâtres et généralement plus légers que l’eau. Il est plus ou moins fluide et son odeur est habituellement forte et caractéristique .Les hydrocarbures peuvent être subdivisés en trois (03) classes principales : Aliphatiques,naphténiques et aromatiques. Les autres éléments sont minoritaires. Ce sont les composés sulfurés azotés, oxygénés dont une partie est plus au moins polymérisée et constitue la catégorie des Asphaltènes et des résines. Certains de ces produits tels que les Phénols, bien que n’étant pas des hydrocarbures au sens strict du terme, contribuent pour une part non négligeable à la toxicité des pétroles. La classification des hydrocarbures est comme suit:. Hydrocarbures Aliphatiques Ce sont des composées à chaine ouverte constituant la série acyclique ainsi appelée par le corps gras. Suivant la nature des liaisons entre les carbones, on subdivise cette série en : I.1.3.1.1. Composés saturés Ce sont des molécules constituées de chaines carbonées à simple liaison entre eux, de formule CnH2n+2, subdivisées en trois (03) catégories en fonction de leurs structures : � Alcanes linéaires La formule semi-développée d’un alcane linéaire peut s’écrire en ligne droite. Example: CH3- CH2- CH2–CH2- CH2- CH2- CH3.Ils constituent une des classes les plus abondantes (10- 40%) des hydrocarbures totaux d’un pétrole brut [Soltani 2004]. � Alcanes ramifiés La formule semi-développée d’un alcane ramifié ne peut pas s’écrire en ligne droite :Exemple : CH3- CH- CH3 CH3 Ramification, substituant ou groupe alkyle. Un alcane ramifié est constitué d’une chaîne carbonée principale (la chaîne carbonée la plus longue : Ici 03 carbones) sur laquelle sont greffés un ou plusieurs substituants.� Alcanes cycliques au cyclo-alcanes Ils renferment des composés cycliques, saturés non benzéniques et le plus souvent substitués, les plus rencontrés dans le pétrole brut ce sont les cyclés de cinq (05) à (06) atomes de carbone, qui peuvent représenter entre 30 - 50% de pétrole brut. [Soltani ,2004].I.1.3.1.2. Composés non saturés Un hydrocarbure est dit insaturé s’il possède au moins une double liaison Carbone – Carbone ou une triple liaison Carbone – Carbone. Exemple: CH3- CH=CH-CH3 CH3-C CH3. Ces liaisons constituent lExemple : n = 2 C2H4. � Les alcynes ou les hydrocarbures acétyléniques Une molécule d’alcyne s’écrit sous la formule générale CnH2n-2 et contient une triple liaison.es instaurations d’une molécule. � Les alcènes Ce sont des hydrocarbures insaturés possédant au moins une liaison double Carbone – Carbone. Celles en double liaison ont pour formule générale CnH2n, « n » étant un nombre entier positif supérieur ou égal à 2. Malgré la diversité des hydrocarbures et par conséquent de leur biodégradabilité, cette dernière est soumise à quelques règles ; plus la chaîne d’un hydrocarbure sera longue, plus sa biodégradabilité sera difficile et plus l’hydrocarbure comportera de cycles, plus sa biodégradabilité sera importante .Le pétrole brut est composé de plusieurs hydrocarbures. On y trouve aussi une multitude d'autres éléments tels que l'azote, le soufre, les métaux mais aussi parfois de l'eau salé ou bien des produits sulfuré-thiols. Le pétrole est formé naturellement et on en distingue plusieurs sortes. Les trois grands types d'hydrocarbures sont les alcanes ou paraffine, les cycloalcanes ounaphtènes et les composésaromatiques. La biodégradation des hydrocarbures: La biodégradation des hydrocarbures par les micro-organismes appeléshydrocarbonoclastes a été mise en évidence dès 1946 par ZoBell. Depuis cette date le nombre d’espèces bactériennes identifiées possédant cette propriété n’a cessé d’augmenter. En se basant sur la fréquence d’isolement, les genres bactériens prédominants sont Pseudomonas, Acinetobacter, Alcaligènes, Vibro, Flavobacterium, Achromobacter,Micrococcus, Corynebacteria, et Nocardia. Ces organismes dégradant les hydrocarbures sont ubiquistes , ils ont même été rencontrés dans les écosystèmes extrêmes comme les régions polaires, les déserts ou les sources chaudes. L’activité humaine, au travers des multiples sources de pollution et par la mondialisation des déplacements, favorise l’apparition de nouvelles souches aptes à la dégradation des hydrocarbures (Van der Meer et al., 1992). Ainsi, même si les conditions de température, aération, pH, toxicité ou nutriments sont défavorables, une dépollution intrinsèque reste possible avec une efficacité amoindrie . Forage des hydrocarbures et impact sur l’environnement Les sols contaminés par les hydrocarbures présentent un danger lors d’un contact direct avec l’Homme ou l’animal ou lors de leur transfert dans la chaine alimentaire. C’est le phénomène de bioaccumulation avec le piégeage par les végétaux et les animaux des polluants ou de leurs produits de dégradation jusqu’à des teneurs atteignant les seuils de toxicité Traitement des sols pollués par les hydrocarbures Les hydrocarbures en forte concentration dans l’environnement ainsi que leur transfert ont un effet néfaste vis-à-vis la santé de l’homme et les écosystèmes. Le choix d’une méthode de dépollution doit être préalablement étudié à fin d’éviter la diffusion du polluant des sites contaminés. Les différents paramètres étudiés généralement sont : • Type de polluant • Nature du sol et son accessibilité ainsi que sa localisation • Date de la pollution (récente ou ancienne) • L’étendu de la surface contaminée • les exigences économiques et administratives Les opérations de traitements des sols polluées peuvent se faire de plusieurs manières (physico-chimique et biologique). Les procédés physico-chimiques englobent des traitements physiques comme les lavages et l'extraction des polluants, des traitements thermiques par incinération des produits organiques polluants réduits en CO2 et H2O et des traitements chimiques qui ont pour but de détruire les polluants ou les rendre moins toxiques. Les procédés biologiques qui sont plus écologiques sont aussi employés, comme la phytoremédiation qui par certaines plantes permet de transformer les polluants dans les sols par association (racines-microflore). Le « Landfarming » qui repose sur le déversement de terres contaminées sur des surfaces plus ou moins préparées { l’avance. L’ajustement du pH et l’additionnement de l’azote sont réalisés afin de stimuler l’activité microbienne, cette technique s’emploie hors site ou sur le site. Une autre technique biologique par aération du sol ou bioventing, repose sur l’injection d’air dans le sol pour fournir aux micro-organismes l’oxygène nécessaire { la biodégradation.La dégradation des hydrocarbures par voie microbienne et la production de Biosurfactants II.1 La bio-remédiation II.1.1. Définition Appelée aussibio-dépollution (dépollution biologique) est une méthode efficace pour épurer les environnements contaminés par des produits polluants dangereux. Cette méthode est réalisée à l’aide de micro-organismes généralement ex situ (hors site) dans des installations spécialisées qui sera suivie d’une technique de bio-dépollution des sols in situ ( au niveau du sol contaminé) puis la biodégradation des polluants des terres mises en andain sur le site. La bio-dépollution est possible pour deux types de polluants pétroliers : • Les hydrocarbures pétroliers (gasoils, fiouls, kérosène, huiles minérales). • Les déchets d’exploitation et de transformation du pétrole (boues et résidus d’huiles deforages) II.1.2. Les principales méthodes utilisées dans la bioremédiation  La bioaugmentation Cette technique consiste à introduire des cultures de microorganismes dans la zone polluée afin d’augmenter le taux de biodégradation descontaminants. La culture peut comprendre une ou plusieurs espèces de micro-organismes capable de dégrader et de décontaminer les sites contenant des hydrocarbures et peuvent être soit autochtones ou bien allochtones.  La bio-stimulation Cette technique consiste à stimuler l’activité des populations microbiennes indigènes (présente dans le sol ou dans les eaux souterraines) par apport de nutriments et par ajustement des conditions du milieu (potentield’oxydo-réduction, humidité). II.2. Micro-organismes aptes à dégrader les hydrocarbures Les micro-organismes jouent un rôle important dans la biodégradation des polluants organiques dans les écosystèmes terrestres. Cette dégradation résulte de voies métaboliques qui mettent en jeu des populations microbiennes spécifiques ou des capacités métaboliques combinées concernant différentes communautés microbiennes. Les bactéries hydrocarbonoclastes utilisent les hydrocarbures pétroliers comme seule source de carbone. Elles sont ubiquistes et présentes en faible quantité dans les environnements dépourvus de contamination. Naturellement, leurs effectifs sont accrus dans les zones chroniquement polluées par les hydrocarbures et augmentent après un apport de pétrole, et chaque genres bactériens n‘est capable de dégrader qu‘un nombre restreint d‘hydrocarbures . II.3. Facteurs physiques et chimiques affectant la biodégradation La biodégradation des hydrocarbures est l’un des premiers mécanismes conduisant à la transformation de ces polluants en produits moins toxiques. Les travaux de recherche sur l’oxydation des hydrocarbures par les microorganismes ont montré que ce processus dépend de la structure chimique des hydrocarbures et des conditions environnementales. Les facteurs physicochimiques influant sur la vitesse de biodégradation microbienne sont :  La structure du sol et leur nature (composition structure et surtout diffusion d'oxygène).  La composition du polluant selon Soltani 2004 (la vitesse de biodégradation est plus élevée pour les hydrocarbures saturés, viennent en suite les aromatiques légers, les aromatiques à haut poids moléculaire)  Température (entre 25°C à 37°C.)  Ressources en oxygène ; sous forme d'oxygène pure, air atmosphérique ou le peroxyde d’hydrogène (H2O2)  La pression et l'humidité  Les nutriments (azote et phosphore en particulier)  Le potentiel d'hydrogène (entre 6 et 8)  Effet de la salinité II.4. Généralité sur le biosurfactants II.4.1. Définition Les surfactants (SURFace ACTive AgeNTS) sont des agents à activité de surface(tensioactifs), synthétisés chimiquement ou par voie biologique (biosurfactants) Les biosurfactants sont des molécules amphiphiles constituées d'une partie hydrophile polaire et d'une partie hydrophobe non polaire. Généralement, le groupement hydrophile est constitué d'acides aminés, peptides ou de polysaccharides (mono ou di) ; le groupement hydrophobe est constituée d'acides gras saturés ou non saturés Type de biosurfactants Contrairement aux surfactants synthétisés chimiquement, qui sont généralement classés en fonction de la nature de leurs groupes polaires, les biosurfactants sont généralement classées principalement par leur composition chimique et leur origine microbienne. les biosurfactants sont classés en deux classes : • Les biosurfactants à faible poids moléculaire sont efficace dans l’abaissement de la tension interfaciale. • Les biosurfactants à poids moléculaire élevé sont très efficace comme agents émulsifiants et stabilisateurs (Kappeli et Finnerty, 1979). Les principales classes de biosurfactants à faible poids moléculaire sont : les glycolipides, les lipopeptides et les phospholipides, tandis que ceux à poids moléculaire élevé comprennent les polymériques La production de biosurfactants est un phénomène communément observé lors de la croissance d’un microorganisme sur des substrats insolubles dans l’eau et la réduction de la tension superficielle du milieu ainsi que la formation d’une émulsion stable indiquent une production efficiente . la présence de surfactant est nécessaire pour obtenir une émulsion stable entre deux liquides purs non miscibles. En effet, ces bactéries synthétisent les biosurfactants qui sont soit des molécules intracellulaires, extracellulaires ou localisées à la surface de la cellule pour faciliter la diffusion des hydrocarbures ou leurs dérivés à l’intérieur de la cellule bactérienne à fin de les dégrader. Cependant, les biosurfactants peuvent avoir d’autres rôles aussi importants que l’émulsification, par exemple : l’adhésion aux surfaces solides et la formation de biofilms(Alasan d’Acinetobacter), la régulation du niveau énergétique cellulaire (sophorose de T.bombicola), l’activité bactéricide (gramicidine, polymexine, surfactine), la pathogénicité de certaines bactéries (rhamnolipides de Pseudomonas), ainsi que le piégeage des métaux lourds. II.4.4 Utilisation des biosurfactants Les biosurfactants sont reconnus pour être non toxiques, biodégradables et peuvent être utilisés dans des conditions extrêmes. Ils sont utilisés dans de nombreux domaines :  L'industrie pétrochimique  La protection de l'environnement et la remédiation.  La dépollution marine et des sols contaminés par les hydrocarbures.  En agriculture pour la formulation d'herbicides et de pesticides  En pharmaceutiques, cosmétiques et alimentaire. CONCLUSION: Les sols pollués par les hydrocarbures ont un effet néfaste sur l’environnement en générale, mais voyant le coté positive, chaque sol pollué contient une microflore autochtone qui s’adapte pour dégrader ces polluants et les utiliser comme nourriture, c’est une dépollution biologique qui ne demande pas trop d’appareillage ni de grand budget. Le pétrole brut est l’un des polluants les plus propagés et complexes des sols. Il contient pas mal de molécules qui sont composées essentiellement d’atome de carbone. Ces molécules peuvent être utilisées par des bactéries mangeuses de pétrole et à la fois productrices de surfactants naturels qui stimulent l’accès à la source de carbone complexe pour un bon processus de bioremédiation de l’écosystème pollué.

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Bibliographie

Pour citer cette page: (des hydrocarbures)

ABROUGUI, M & al, 2021. Biodégradation des hydrocarbures. In Didaquest [en ligne]. <http:www.didaquest.org/wiki/Biod%C3%A9gradation_des_hydrocarbures>, consulté le 17, juin, 2024

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