Biodégradation des hydrocarbures

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

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...Biologie / ..Environnement / ..biochimie / microbiologie / bio-industries / chimie organique / pétrochimie / écologie / géologie / chimie /

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La biodégradation d’un matériau résulte d’une ensemble de phénomènes physiques,chimiques et biologiques successifs ou concomitants aboutissant dans tous les cas à une réorganisation de la biomasse et à un dégagement de CO2 (et/ou de CH4), d’H2O, d’énergie(sous forme de chaleur), d’une éventuelle production de nouvelles molécules organiques et de possibles résidus minéraux » 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. Les hydrocarbures pétroliers: Ce sont des produits pétroliers (pétrole brut, pétrole raffiné, kérosène, essences, fuel, lubrifiants, huiles à moteurs) regroupés sous le nom d'hydrocarbures. Ils comprennent principalement des hydrocarbures aliphatiques dont la caractéristique est la présence de chaines linéaires ou ramifiées . Les produits pétroliers comprennent aussi parfois en proportion significative des hydrocarbures aliphatiques cycliques (cyclanes), des hydrocarbures aromatiques monocycliques (benzène, toluène, xylène, etc.) et des hydrocarbures aromatiques polycycliques (anthracène, fluorène, naphtalène, pyrène, benzo(a)pyrène, etc.). De manière générale, le comportement d’un produit pétrolier dans l’eau dépend du rapport de sa densité avec celle de l’eau. Les produits pétroliers non persistants sont moins denses que l’eau, ce qui les amène à flotter sur l’eau. Leur dégradation rapide est due au fait de leur exposition aux conditions météorologiques. Les hydrocarbures persistants plus denses sont submergés par l’eau et le processus de dégradation est plus lent . les produits pétroliers non persistants comme le fuel, l’essence ou le diesel se dégradent habituellement facilement lorsqu’ils sont exposés à certaines conditions météorologiques telles que l’air et une température élevée. Pour une température comprise entre 0 et 5 °C, on note 5 à 20 % de diesel qui s’évapore en deux jours. Cette même quantité est observée en cinq jours pour des températures comprises entre 20 et 0 °C. Les hydrocarbures persistants s’évaporent plus lentement. Lorsqu’une émulsion se produit, le processus devient plus complexe du fait des propriétés physiques qui changent. la composition des produits pétroliers: gaz(alcanes normaux et ramifiés contenant de 1 à 5 atomes de carbones. Essence(hydrocarbures normaux et ramifiés contenant de 6 à 10 atomes de carbone) kérosene/diesel(hydrocarbures contenant 11 à 12 atomes de carbone,les alcanes,les cycloaclanes,les aromatiques et les cycloalcanes aromatiques mixtes. gazoles légeres(hydrocarbures contenant 12 à 18 atomes de carbone) gazoles lourds et huiles lubrifiants légères(18 à 25 atomes de carbone) lubrifiants(26 à 38 atomes de carbone) asphaltes(composés lourds polycycliques) Les sources anthropiques sont majoritaires. Elles sont, suivant les cas, diffuses ou ponctuelles. Elles regroupent aussi bien les processus de combustion de fuel fossile (automobiles, usines de production de coke, etc.) que les processus de transformation tels que la production et l'utilisation de créosote, la raffinerie du pétrole . Leur distribution dans les écosystèmes est déterminée par leurs propriétés physico-chimiques qui diffèrent d'une molécule à l'autre et qui sont fonction de leur masse moléculaire et de leur structure. Les principales caractéristiques sont : une faible solubilité à l'eau , une forte hydrophobicité, une volatilité faible, sauf pour le naphthalène ; une persistance dans les sols et une forte toxicité pour l'homme et l'environnement . Les propriétés toxicologiques sont très différentes selon les HAP. Trois HAP dont la toxicité est élevée , sont classés par le Centre international de recherche contre le cancer comme cancérigènes probables pour l’homme : il s'agit du benzo(a)pyrène, du benzo(a)anthracène et du dibenzo(a,h)anthracène. Trois autres sont classés comme cancérigènes possibles pour l’homme : benzo(b)fluoranthène, benzo(k)fluoranthène, indéno(c,d)pyrène. Le risque de cancer lié aux HAP est l’un des plus anciennement connus, depuis la description des cancers de la peau et du scrotum des ramoneurs dont l'exposition aux HAP se faisait par contact et par respiration de la suie des cheminées. Techniques de traitement des sols pollués par les hydrocarbures: En fonction de la persistance du polluant, très souvent due à une cinétique d'évolution très lente des mécanismes de dispersion ou de dégradation , certaines techniques sont plus appropriées que d'autres. On distingue des procédés physico-chimiques et biologiques. Pour le traitement des sites pollués, il existe quatre grandes familles de traitement : les traitements in situ, où le sol est laissé sur place, le polluant étant soit extrait et traité en surface, soit dégradé dans le sol ou encore fixé dans le sol ; les traitements hors site, où on procède à l’excavation et à l’évacuation des terres ou des eaux polluées vers un centre de traitement adapté (incinérateur, centre d’enfouissement technique, centre de traitement des terres polluées, etc.) ; les traitements sur site où la terre ou les eaux polluées sont extraites et traitées sur le site même et le confinement où la terre ou les eaux sont laissées sur le site, les travaux consistant à empêcher la migration des polluants et limiter le risque . La bio-remédiation est le procédé le mieux adapté pour le traitement des mangroves in situ ou sur site. La bio-remédiation est l'utilisation d’organismes vivants, en particulier via les procédés microbiens, pour dégrader les polluants organiques . Les micro-organismes sont depuis très longtemps utilisés dans le processus de transformation et de traitement des déchets . Par exemple, l'épuration des eaux usées municipales est basée sur l'exploitation des micro-organismes à travers les systèmes contrôlés comme les stations d'épuration. Tous ces systèmes d'épuration des eaux usées (boues activées, biomasse fixée ou lit bactérien, etc.) dépendent de l'activité métabolique des micro-organismes . La bioremédiation peut se résumer comme un procédé qui encourage les processus naturels de biodégradation visant à réduire ou éliminer les polluants . technologie de traitement par bio-remédiation: la bio-augmentation: Addition de cultures microbiennes dans un milieu contaminé,fréquemment utilisé dans les bioréacteurs et les systèmes ex situ. la bio-stimulation: technique permettant de stimules les populations microbiennes indigènes dans les sols et dans les eaux souterraines,peut se faire insitu ou exsitu) bioventing: technique employée pour accélérer la biodégradation du polluant en apportant,grâce à une aération contrôlée,l'oxygène aux micro-organismes en place. compostage:processus de traitement aérobique et thermophile dans lequel les matériaux contaminés sont mélangés à un agent de bulking. Landfarming: système de traitement par épandage de faible épaisseur(qqes dizaines de cm)des sols pollués par les hydrocarbures sur une surface préparée à l'avance,le terrain pouvant être ensuite cultivé. La phytoremédiation est une technique in situ de bio-remédiation des sites contaminés. Son principe est de mettre à profit les propriétés des plantes et les micro-organismes associés pour dépolluer des milieux (sols, eaux, etc.) contaminés par divers polluants (organiques et inorganiques). Elle utilise les capacités des plantes à extraire, transformer ou accumuler les éléments toxiques. Elle est particulièrement adaptée au traitement de larges superficies contaminées par des niveaux faibles de polluants . Des exemples d'expériences de phytoremédiation par la pollution diffuse ont été réalisées avec succès dans l'industrie d'assainissement . L'inconvénient majeur de la phytoremédiation est qu'elle nécessite un engagement à long terme et de la patience. En effet, le procédé est dépendant de la croissance végétale, de la tolérance de la plante aux polluants et de sa capacité de bioaccumulation ; tous ces processus sont lents. Deux mécanismes d’action des plantes peuvent être appliqués aux mangroves polluées par les hydrocarbures : la phytotransformation et la rhizodégradation. Ces mécanismes vont dépendre de la quantité et de la qualité d’hydrocarbures présents dans les sédiments . La phytotransformation réduit la toxicité du polluant ou la rend non toxique ; elle transforme les molécules organiques complexes en composés plus simples ; elle absorbe et dégrade le polluant . La rhizodégradation quant à elle augmente l'activité microbienne du sol et permet la dégradation du polluant par les bactéries de la rhizosphère. Les plantes seules ont l'inconvénient d'être inefficaces et n'éliminent que de petites quantités de polluant. Pour obtenir une dégradation plus efficace de composés organiques, les plantes dépendent de l'association avec leurs micro-organismes spécifiques en plus des facteurs tels que la disponibilité d’accepteurs d’électrons, le pH du milieu, la température, la salinité, la disponibilité des nutriments (azote et phosphore) et la nature du polluant, sa concentration dans le milieu et son accessibilité. Mécanisme de dégradation des hydrocarbures par les bactéries 1. Voies de dégradation des alcanes et des HAP Dégradation des alcanes. De nombreuses bactéries ayant la capacité de dégrader les alcanes ont été décrites dans la littérature . Cette dégradation commence par l'oxydation du groupe méthyle terminal. L'alcool formé est ensuite déshydrogéné via l'aldéhyde en l'acide carboxylique correspondant. Celui-ci est dégradé via la ß-oxydation (comme chez les acides gras). De manière générale, les alcanes à chaine courte sont plus vite dégradés que ceux à longue chaine et les alcanes à chaine ramifiée sont moins dégradables que les linéairesLes HAP sont généralement biodégradables dans les sols . Les molécules les plus légères peuvent être rapidement dégradées si le milieu est suffisamment aérobie . Dégradation des HAP Dégradation du fluorène. L'étude de la dégradation des HAP dans les mangroves propose plusieurs voies de dégradation de ces polluants par les bactéries. Ainsi, sur la base de l’identification des métabolites, deux voies possibles de dégradation du fluorène par un consortium bactérien sont proposées. Ces voies se caractérisent par une ou plusieurs réactions (représentées par les flèches en trait plein). On note, au cours de la dégradation du fluorène, la formation de nouveaux métabolites tels que le 1-hydroxyfluorène et le 3-hydroxyfluorène. La formation de l’acide phtalique en passant par le 9-hydroxyfluorène et le 9-fluorène à travers une ou plusieurs réactions marque la fin du processus de dégradation du fluorène. Dégradation du phénanthrène. La dégradation du phénanthrène aboutit à l'acide phtalique en passant par une ou plusieurs réactions. Il apparait également de nouveaux métabolites comme l'acide benzoïque, le 2-benzoyl méthyle ester et le trihydroxyphénanthrène Le phénanthrène peut être transformé par un consortium en mono-hydroxyle phénanthrène par la mono-oxygénase. La présence de trois groupes hydroxyles pourrait être due à des réactions enzymatiques par des systèmes combinés mono- et dioxygénase. Dégradation du pyrène. La dégradation du pyrène par un consortium bactérien composé de Rhodococcus sp., Acinetobacter sp. et Pseudomonas sp., fait apparaitre de nouveaux métabolites comme le lactone et le 4-hydroxyphénanthrène. Cette dégradation se passe en une ou plusieurs réactions Les biosurfactants Les biosurfactants sont des composés amphiphiles produites par les bactéries, les champignons et les levures. Ils appartiennent à différentes classes y compris les glycolipides, les lipopeptides, les acides gras, des phospholipides, des lipides neutres et des lipopolysaccharides (Rosenberg, 1986) .La croissance des micro-organismes présents sur les hydrocarbures pause des problèmes particuliers, car les hydrocarbures ne sont pas miscibles dans l'eau, de nombreuses bactéries sont capables d'émulsionner les hydrocarbures en solution en produisant des agents tensio- actifs biologiques qui augmentent l'adhérence des cellules au substrat(Figure 8). Les biosurfactants réduisent la tension superficielle, ce qui augmente la surface des composés insolubles et ce qui conduit à l’augmentation de la biodisponibilité et la biodégradation subséquente des hydrocarbures

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Exemples, applications, utilisations

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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 21, novembre, 2024

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