Une douzaine de bactéries exotiques collectent passivement les éléments de terres rares des eaux usées

Les éléments de terres rares (REE) sont un groupe de 17 métaux chimiquement similaires, qui tirent leur nom du fait qu’ils se trouvent généralement à de faibles concentrations (entre 0,5 et 67 parties par million) dans la croûte terrestre. Parce qu’ils sont indispensables dans la technologie moderne comme les diodes électroluminescentes, les téléphones portables, les moteurs électriques, les éoliennes, les disques durs, les caméras, les aimants et les ampoules basse consommation, leur demande a augmenté régulièrement au cours des dernières décennies et est prévue encore augmenter d’ici 2030.

Du fait de leur rareté et de la demande, ils sont chers : par exemple, un kilo d’oxyde de néodyme coûte actuellement environ 200 €, alors que la même quantité d’oxyde de terbium coûte environ 3 800 €. Aujourd’hui, la Chine détient un quasi-monopole sur l’exploitation des terres rares, bien que la découverte de nouvelles découvertes prometteuses (plus d’un million de tonnes métriques) à Kiruna, en Suède, ait été annoncée en grande pompe en janvier 2023.

Économie circulaire

Les avantages de passer d’une économie « linéaire » gaspilleuse à une économie « circulaire », où toutes les ressources sont recyclées et réutilisées, sont évidents. Alors, pourrions-nous également recycler les ETR plus efficacement ?

Dans Frontières en bioingénierie et biotechnologie, des scientifiques allemands ont montré que la réponse est oui : la biomasse de certaines cyanobactéries photosynthétiques exotiques peut efficacement absorber les ETR des eaux usées ; par exemple ceux issus de l’exploitation minière, de la métallurgie ou du recyclage des déchets électroniques. Les ETR absorbés peuvent ensuite être lavés de la biomasse et collectés pour être réutilisés.

« Ici, nous avons optimisé les conditions d’absorption des ETR par la biomasse cyanobactérienne et caractérisé les mécanismes chimiques les plus importants pour les lier. Ces cyanobactéries pourraient être utilisées dans de futurs procédés respectueux de l’environnement pour la récupération et le traitement simultanés des ETR des eaux usées industrielles », a déclaré le Dr. Thomas Brück, professeur à l’Université technique de Munich et dernier auteur de l’étude.

Des souches hautement spécialisées de cyanobactéries

La biosorption est un processus métaboliquement passif pour la liaison rapide et réversible des ions des solutions aqueuses à la biomasse. Brück et ses collègues ont mesuré le potentiel de biosorption des terres rares lanthane, cérium, néodyme et terbium par 12 souches de cyanobactéries en culture de laboratoire. La plupart de ces souches n’avaient jamais été évaluées pour leur potentiel biotechnologique auparavant. Ils ont été prélevés dans des habitats hautement spécialisés tels que les sols arides des déserts namibiens, la surface des lichens du monde entier, les lacs natron au Tchad, les crevasses dans les rochers en Afrique du Sud ou les ruisseaux pollués en Suisse.

Les auteurs ont découvert qu’une nouvelle espèce non caractérisée de Nostoc avait la plus grande capacité de biosorption des ions de ces quatre ETR à partir de solutions aqueuses, avec des efficacités entre 84,2 et 91,5 mg par g de biomasse, tandis que Scytonema hyalinum avait la plus faible efficacité à 15,5 à 21,2 mg par g. Aussi efficaces étaient Synechococcus elongates, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima et une nouvelle espèce non caractérisée de Komarekiella. On a constaté que la biosorption dépendait fortement de l’acidité : elle était maximale à un pH compris entre cinq et six et diminuait régulièrement dans des solutions plus acides. Le processus était le plus efficace lorsqu’il n’y avait pas de « concurrence » pour la surface de biosorption sur la biomasse de cyanobactéries à partir d’ions positifs d’autres métaux non ETR tels que le zinc, le plomb, le nickel ou l’aluminium.

Les auteurs ont utilisé une technique appelée spectroscopie infrarouge pour déterminer quels groupes chimiques fonctionnels de la biomasse étaient principalement responsables de la biosorption des terres rares.

« Nous avons constaté que la biomasse dérivée de cyanobactéries a d’excellentes caractéristiques d’adsorption en raison de leur forte concentration de fragments de sucre chargés négativement, qui portent des groupes carbonyle et carboxyle. Ces composants chargés négativement attirent les ions métalliques chargés positivement tels que les terres rares et soutiennent leur attachement à la biomasse. « , a déclaré le premier auteur Michael Paper, scientifique à l’Université technique de Munich.

Rapide et efficace, avec un grand potentiel pour de futures applications

Les auteurs concluent que la biosorption des ETR par les cyanobactéries est possible même à de faibles concentrations de métaux. Le processus est également rapide : par exemple, la majeure partie du cérium en solution a été biosorbée dans les cinq minutes suivant le début de la réaction.

« Les cyanobactéries décrites ici peuvent adsorber des quantités d’ETR correspondant jusqu’à 10 % de leur matière sèche. La biosorption présente ainsi un procédé économiquement et écologiquement optimisé pour la récupération et la réutilisation circulaires des métaux de terres rares à partir des eaux usées industrielles diluées issues des secteurs minier, électronique, et les secteurs de la production de catalyseurs chimiques », a déclaré Brück.

« Ce système devrait devenir économiquement réalisable dans un proche avenir, car la demande et les prix du marché pour les terres rares sont susceptibles d’augmenter considérablement dans les années à venir », a-t-il déclaré.