Le phosphore présent dans les eaux usées contribue largement à la prolifération d’algues nocives dans les plans d’eau du monde entier, avec le potentiel de nuire à la faune, au bétail et même aux humains. Pour éviter cela, les usines de traitement des eaux usées s’appuient souvent sur des techniques à forte intensité chimique et énergétique pour éliminer le phosphore avant qu’il n’ait un impact sur les plans d’eau en aval.
Les chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont cherché à développer une nouvelle technologie d’élimination du phosphore des eaux usées en maximisant la capacité des algues à exploiter l’énergie solaire pour accumuler et éliminer efficacement le phosphore de l’eau, en le stockant à l’intérieur de la cellule sous forme de polyphosphate.
Le système Revolving Algal Biofilm (RAB) de Gross-Wen Technologies est une technologie émergente qui fait exactement cela. Dans le système RAB, les algues chargées de phosphore sont cultivées dans les eaux usées reliées à une bande tournante. La biomasse algale cultivée peut ensuite être récoltée à partir de la bande et séchée pour être utilisée comme engrais agricole ou comme matière première pour la fabrication de biocarburants et de bioproduits. Ce processus peut aider à boucler la boucle du cycle du phosphore en recyclant et en réutilisant le phosphore présent dans les eaux usées, réduisant ainsi la demande en ressources de phosphore exploitables limitées.
Désormais, des chercheurs du NREL, de Gross-Wen Technologies et du Metropolitan Water Reclamation District du Grand Chicago se sont associés dans le cadre d’une subvention du Technology Commercialization Fund (TCF) par l’intermédiaire du Département américain de l’énergie (DOE) pour développer davantage le système RAB. Les subventions du TCF visent à mettre de nouvelles technologies énergétiques sur le marché en appliquant les fonds du DOE et l’expertise et l’infrastructure des laboratoires nationaux.
L’équipe de chercheurs a examiné les propriétés uniques de l’absorption du phosphore chez les souches d’algues vivant dans les systèmes RAB. Dans un étude publié dans la revue Frontières de la microbiologie, l’équipe a détaillé comment des espèces d’algues spécifiques surpassent la population plus large d’algues du système. Ces résultats peuvent offrir des perspectives pour améliorer les performances du RAB tout en améliorant les flux de revenus pour les engrais agricoles ou les matières premières bioénergétiques.
« Nous étions curieux de savoir quelles espèces d’algues vivant dans ces systèmes faisaient le plus gros travail pour éliminer le phosphore des eaux usées », a déclaré Eric Schaedig, chercheur au NREL et auteur principal de l’étude. « D’un point de vue biologique, si nous pouvons isoler et enrichir les systèmes RAB avec ces espèces d’algues qui travaillent dur, cela augmenterait l’efficacité du système global et nous aiderait à boucler la boucle du cycle du phosphore. »
Pourquoi l’optimisation des systèmes de biofilm d’algues peut augmenter l’efficacité
Un comportement intéressant des algues est leur capacité à absorber le phosphore à des niveaux qui dépassent leurs besoins nutritionnels immédiats. Ce processus est appelé « absorption de luxe » et constitue l’un des avantages de l’utilisation d’algues pour traiter les eaux usées et récupérer les nutriments, en particulier pour les systèmes RAB.
Dans un système RAB, une communauté d’algues adhère sous forme de biofilm à une ceinture verticale tournante partiellement immergée dans les eaux usées. À mesure qu’elles se développent, les algues absorbent le phosphore et d’autres polluants des eaux usées lorsqu’elles sont sous l’eau et absorbent le dioxyde de carbone et la lumière du soleil lorsqu’elles sont au-dessus de l’eau. Cet environnement unique abrite de nombreuses algues, et l’équipe du NREL a cherché à isoler et caractériser ces organismes.
Schaedig a déclaré que le processus d’isolement et de caractérisation des souches d’algues natives des systèmes RAB est un moyen d’optimiser ces systèmes. Une fois que les souches d’algues hyperaccumulatrices de phosphore sont isolées et identifiées en laboratoire, elles peuvent être réintroduites dans d’autres systèmes RAB et prospérer, améliorant ainsi l’absorption du phosphore par les systèmes RAB.
Parmi les 101 souches d’algues identifiées, sept possédaient des niveaux élevés de polyphosphate.
Les chercheurs ont isolé près de 770 souches d’algues à partir d’échantillons de biofilm collectés dans huit systèmes RAB actifs dans l’Iowa et l’Illinois. « Beaucoup d’entre elles étaient des doublons de la même espèce d’algues, et nous avons réduit ce nombre à 101 souches uniques par microscopie », a déclaré Schaedig. Ces 101 souches uniques ont été identifiées à l’aide du séquençage de l’ADN et la teneur en polyphosphate de chacune a été déterminée à l’aide de techniques de criblage avancées.
Les résultats étaient prometteurs. Sept souches d’algues isolées possédaient au moins 50 % de polyphosphate en plus par poids sec cellulaire (CDW) par rapport à une communauté d’algues du système RAB de base, qui s’élevait à 5,1 % de polyphosphate par CDW. La souche la plus hyperaccumulatrice de phosphore, Craticula molestiformis TCF-8d, a accumulé 14,0 % de polyphosphate par CDW.
Les chercheurs ont également découvert que les communautés d’algues du système RAB variaient selon les lieux d’échantillonnage et les moments, ce qui suggère que les communautés d’algues RAB peuvent changer en raison des changements saisonniers de lumière et de température ou de la composition des eaux usées.
L’équipe de recherche a effectué des expériences de suivi pour confirmer si les principales souches d’algues hyperaccumulatrices survivraient et se développeraient dans les systèmes RAB du monde réel. L’une des souches, Chlamydomonas pulvinata, a montré de solides performances, prospérant dans le système et augmentant le taux d’élimination du phosphore du système modifié à 70 %, soit le double du taux d’élimination d’une communauté de biofilm RAB non modifié.
Promesse de récupération des ressources au-delà du phosphore
Le phosphore est un nutriment vital pour toute vie sur Terre, et notre vie quotidienne en regorge. La nourriture que nous mangeons et les produits que nous appliquons et frottons sur notre corps sont riches en phosphore, qui est finalement éliminé de nos maisons dans les eaux usées que nous produisons. Ces eaux usées riches en phosphore sont destinées aux ruisseaux, aux ruisseaux et aux lacs, où elles peuvent provoquer une prolifération d’algues nocives qui privent ces écosystèmes aquatiques de l’oxygène indispensable à la vie.
Cette recherche a montré que les algues hyperaccumulatrices de phosphore ont le potentiel de nous aider à capter et à réutiliser le phosphore que nous émettons dans l’environnement avant qu’il ne puisse avoir des conséquences néfastes sur les écosystèmes aquatiques. Cela peut non seulement aider à prévenir la prolifération d’algues nuisibles dans les écosystèmes aquatiques, mais peut également créer un cycle en boucle fermée pour le phosphore dont nous dépendons. En plus de la récupération du phosphore, les résultats de cette recherche pourraient présenter des avantages supplémentaires pour la récupération et la réutilisation d’autres ressources précieuses perdues dans les eaux usées.
« La beauté de cette recherche sur les algues hyperaccumulatrices de phosphore réside dans son implication au-delà de la simple récupération du phosphore », a déclaré Jianping Yu, chercheur principal au NREL et auteur principal de l’étude. « Le polyphosphate est connu pour se lier aux métaux dans les algues et les accumuler. Ainsi, les souches isolées dans cette étude peuvent être prometteuses pour d’autres applications de dépollution des déchets d’algues, comme l’élimination ou la récupération des métaux nocifs ou précieux des processus industriels et des eaux usées. »
Plus d’information:
Eric Schaedig et al, Isolement des microalgues hyperaccumulatrices de phosphore à partir des systèmes de traitement des eaux usées à biofilm algal renouvelable (RAB), Frontières de la microbiologie (2023). DOI : 10.3389/fmicb.2023.1219318