Purifier l’eau chargée en uranium : Le potentiel des bactéries magnétiques

Une équipe de chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a réussi à utiliser un type de bactérie unique, la bactérie magnéto-tactique, pour purifier l’eau chargée d’uranium, dans le cadre d’une étude novatrice. Cette découverte offre une nouvelle perspective sur les interactions entre l’uranium et les bio-ligands et pourrait potentiellement révolutionner le domaine de la dépollution de l’eau.

Evelyn Krawczyk-Bärsch, de l’Institut d’écologie des ressources du HZDR, est à l’origine de cette recherche, qui vise à développer des applications pour l’assainissement microbiologique de l’eau, en particulier de l’eau contaminée par les métaux lourds présents dans les eaux d’exhaure des mines. Johannes Raff, son collègue, a souligné le rôle essentiel des bactéries magnétotactiques dans cette entreprise, en raison de leur structure et de leurs propriétés uniques.

Les bactéries magnéto-tactiques, qui se distinguent par leur capacité à former des cristaux magnétiques nanoscopiques à l’intérieur de leurs cellules, sont présentes dans pratiquement tous les environnements aqueux, de l’eau douce à l’eau salée. Les cristaux magnétiques, intégrés dans une membrane protectrice, forment un magnétosome, que les bactéries utilisent pour s’aligner sur le champ magnétique terrestre afin de s’orienter. Cette caractéristique remarquable leur permet également de se prêter à des processus de séparation simples.

Malgré leur présence généralisée, la culture de ces bactéries exige des connaissances spécialisées. À cette fin, l’équipe du HZDR a collaboré avec les docteurs Christopher Lefèvre et Damien Faivre du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), afin d’obtenir à la fois une souche bactérienne et des conseils d’experts.

Les bactéries magnéto-tactiques sont remarquablement robustes et capables de se développer à des pH neutres, même dans des eaux à forte concentration d’uranium. Elles ont la particularité de fixer l’uranium presque exclusivement dans leurs parois cellulaires, sans laisser l’uranium pénétrer à l’intérieur de la cellule ou se lier au magnétosome. Une caractéristique cruciale, compte tenu des conditions de l’eau associées à l’exploitation minière.

Les parois cellulaires de ces bactéries, composées d’une couche de peptidoglycane de quatre nanomètres d’épaisseur et d’une membrane externe riche en sucres et en composants de type graisseux, constituent des sites d’ancrage potentiels pour l’uranium. « Chez les bactéries magnéto-tactiques, le peptidoglycane joue le rôle principal dans l’absorption de l’uranium. Cette connaissance est sans précédent dans ce type de bactéries« , déclare Krawczyk-Bärsch.

Grâce à une combinaison unique de microscopie et de diverses techniques spectroscopiques, l’équipe a identifié trois espèces spécifiques de peptidoglycane uranifère, ce qui renforce ses conclusions. Les efforts de collaboration avec l’Institut de physique des faisceaux d’ions et de recherche sur les matériaux du HZDR, y compris l’utilisation de leur microscope électronique, se sont avérés déterminants.

Grâce à leurs propriétés magnétiques, les bactéries magnéto-tactiques peuvent être facilement séparées de l’eau à l’aide d’aimants, une caractéristique qui pourrait être exploitée pour le traitement de l’eau à grande échelle. Comme le suggère Krawczyk-Bärsch, le traitement pourrait être effectué dans les eaux de surface ou dans l’eau pompée dans les mines souterraines et acheminée vers des usines de traitement pilotes. Cette méthode pourrait constituer une alternative rentable aux traitements chimiques conventionnels, étant donné que les bactéries magnéto-tactiques nécessitent un entretien minimal.

En outre, l’équipe est intriguée par le potentiel de ces bactéries dans les interactions avec les radionucléides. Plus précisément, leurs protéines peuvent stabiliser le fer divalent et trivalent, facilitant ainsi la synthèse de la magnétite stockée dans les magnétosomes. Cela pourrait indiquer une nouvelle façon d’éliminer le plutonium des eaux usées, un sujet d’un grand intérêt pour la recherche sur les dépôts, car cela pourrait grandement améliorer les évaluations de sécurité.

Magnétosome :

Un magnétosome est une structure intracellulaire produite par certaines bactéries, connues sous le nom de bactéries magnétotactiques. Ces magnétosomes contiennent des cristaux de minéraux magnétiques, généralement de la magnétite (Fe3O4) ou de la greigite (Fe3S4), qui sont enveloppés dans une membrane biologique.

Ces structures permettent à la bactérie de détecter et de naviguer le long des lignes de champ magnétique de la Terre. C’est une forme de magnétotaxie, qui est le comportement de certains organismes de s’orienter et de se déplacer en réponse à un champ magnétique. Les magnétosomes sont alignés en chaîne à l’intérieur de la cellule bactérienne, ce qui permet à la bactérie de se comporter comme une boussole miniature.

Bactéries magnétotactiques :

Les bactéries magnétotactiques (ou MTB, pour Magnetotactic Bacteria) sont un groupe de bactéries qui ont la capacité de s’orienter et de se déplacer le long des lignes du champ magnétique terrestre. Elles accomplissent cela grâce à la présence de structures spéciales appelées magnétosomes, qui sont essentiellement de petits cristaux de minéraux magnétiques, comme la magnétite ou la greigite, enveloppés dans une membrane biologique.

Les bactéries magnétotactiques sont généralement aquatiques et peuvent être trouvées tant en eau douce qu’en eau de mer. Elles utilisent le champ magnétique terrestre pour s’orienter vers le bas dans l’eau, où elles trouvent des conditions plus favorables à leur survie, notamment des niveaux plus élevés de nutriments et des niveaux plus bas d’oxygène.

Illustration légende : Les bactéries magnétotactiques fixent l’uranium dans leur paroi cellulaire (schéma de droite). Elles peuvent être utilisées pour purifier l’eau contaminée par l’uranium en séparant les bactéries chargées à l’aide d’un aimant (illustration de gauche).

Source : B. Schröder/HZZ : B. Schröder/HZDR

Publication : E. Krawczyk-Bärsch, J. Ramtke, B. Drobot, K. Müller, R. Steudtner, S. Kluge, R. Hübner, J. Raff, Peptidoglycan as major binding motif for Uranium bioassociation on Magnetospirillum magneticum AMB-1 in contaminated waters, Journal of Hazardous Materials, 2022 (DOI : 10.1016/j.jhazmat.2022.129376 )