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La levure génétiquement modifiée peut nettoyer les eaux usées

Révision: Sun, G.L., Reynolds, E.E. & Belcher, A.M. Utiliser de la levure pour assainir et extraire durablement les métaux lourds des eaux usées. Nat Sustain (2020).

EST CE QUE JE: https://doi.org/10.1038/s41893-020-0478-9

Les métaux lourds toxiques dans les eaux usées doivent être nettoyés

L'épidémie de la maladie de Minamata, une maladie neurologique causée par une intoxication au mercure, a alerté le public à être conscient des risques d'exposition au mercure. Les habitants de Minamata City, au Japon, mangeaient des crustacés et des poissons avec des niveaux élevés de méthylmercure absorbés par les eaux usées industrielles depuis plus de 30 ans, jusqu'à ce que l'épidémie n'éclate en 1956. Cela mène toujours à d'intenses débats pour savoir si manger trop de poisson exposerait les gens trop de mercure. Beaucoup de gens se demandent encore si manger une boîte de thon tous les jours est sûr ou si les femmes enceintes devraient limiter ou éviter la consommation de poisson.

Le mercure est un type de métal lourd, avec d'autres métaux comme le cuivre, le plomb, le cadmium et le zinc. Ils sont appelés «métaux lourds» car ils sont littéralement plus lourds que les métaux «légers» – un disque de mercure de la taille d'une pièce de dix cents se sentirait plus lourd sur votre paume qu'une pièce d'aluminium identique. Les métaux lourds existent naturellement dans la croûte terrestre, et ils pénètrent dans l'océan lorsque les rivières emportent les roches et les sols, ou lorsque le vent souffle des particules de poussière dans l'océan.

Cependant, les humains ont introduit des métaux lourds supplémentaires dans l'environnement en brûlant du pétrole et du charbon, en produisant du ciment, de l'acier, des interrupteurs / éclairages électriques et des batteries, et en déversant des eaux usées industrielles et des boues d'épuration dans les rivières. Lorsque ces métaux lourds pénètrent dans l'océan, la plupart d'entre eux s'accumulent dans les sédiments au fond de l'océan, mais certains sont absorbés par le plancton marin et remontent la chaîne alimentaire, pour finalement s'accumuler dans les plus gros poissons comme le thon et le maquereau que nous consommons. L'exposition à des niveaux élevés de mercure peut provoquer divers symptômes tels que nausées, problèmes respiratoires, troubles rénaux, tremblements, paralysie et lésions cérébrales.

Le thon est la source la plus courante de mercure dans notre alimentation. Les gros poissons comme le thon et l'espadon se nourrissent de petits poissons qui contiennent du mercure, donc ils ont tendance à avoir plus de mercure que les petits poissons.

Pour réduire les risques pour la santé associés aux métaux lourds, nous devons nettoyer les métaux lourds de nos déchets et de nos océans. La bioremédiation a récemment attiré l'attention de la recherche: utiliser des organismes vivants naturels comme les microbes et les bactéries pour traiter les eaux contaminées.

Les scientifiques ont découvert des microbes qui produisent du sulfure d'hydrogène (H2S), un composé chimique qui sent comme les œufs pourris. Le sulfure d'hydrogène réagit avec les métaux lourds dissous dans l'eau pour produire des sulfures métalliques, qui sont solides et se séparent de l'eau (un processus appelé «précipitation»). Cependant, ces organismes se développent très lentement dans des conditions de vie spécifiques qui ne peuvent pas être facilement entretenues, ils n'ont donc pas été considérés comme une solution réaliste pour nettoyer les eaux usées. Pour trouver une solution à ce problème, Sun et al. (2020) ont travaillé sur la modification génétique de levure pour la faire produire du sulfure d'hydrogène et éliminer les métaux lourds des eaux usées.

Comment la levure peut-elle éliminer les métaux lourds des eaux usées?

La levure est le même ingrédient que vous mettez dans cette miche de pain dans votre four ou dans un fermenteur à bière dans votre sous-sol. C'est un champignon très répandu dans l'environnement et utilisé par les humains depuis que les anciens Égyptiens ont découvert sa capacité à faire du pain. De nos jours, la fabrication de levure est une entreprise d'un milliard de dollars, et il existe de nombreux types de levure différents fournis à différentes industries, telles que la boulangerie, la bière et le vin, le bioéthanol et les produits pharmaceutiques.

La levure produit des acides aminés, qui sont les éléments constitutifs des protéines essentielles à sa croissance. Certains de ces acides aminés contiennent du soufre, et pour produire ces acides aminés soufrés, la levure absorbe d'abord le sulfate (une forme de sel avec du soufre), le convertit en sulfure d'hydrogène, puis le convertit finalement en acides aminés. Les scientifiques ont identifié un certain nombre de gènes dans la levure qui contrôlent chaque étape de ces processus de conversion du soufre. Chacun de ces gènes a été supprimé pour produire des «KO», de sorte que ces KO perdent la capacité de convertir le sulfate en acides aminés. En testant chaque élimination pour son efficacité d'élimination des métaux, des gènes spécifiques qui jouent les rôles les plus importants dans la conversion du sulfure d'hydrogène en acides aminés contenant du soufre ont pu être identifiés.

Sun et al. (2020) ont confirmé que les knockouts de levure peuvent produire du sulfure d'hydrogène, et que le sulfure d'hydrogène produit par la levure peut éliminer avec succès les métaux de l'eau, en faisant pousser les knockouts dans des eaux qui avaient environ cent fois plus de cuivre, de plomb, de cadmium et de mercure que potable l'eau. Le cuivre et le plomb ont été éliminés le plus rapidement, suivis du cadmium et du mercure, mais quatre cycles de précipitation ont éliminé> 99% de tous ces métaux, jusqu'à une quantité suffisamment faible pour être bu en toute sécurité.

(Figure 2c du document original: chaque figure montre des précipités de métaux (cuivre, zinc, cadmium, plomb et mercure) par une souche de levure à élimination directe. De nouvelles cultures à élimination directe de levure ont été fournies à chaque cycle. La couleur décroissante sur plusieurs cycles de traitements montre incrémentale élimination des métaux lourds.)

L'équipe de recherche a également tenté de contrôler la forme et la structure des métaux lourds précipités à la surface de la levure. En effet, les techniques traditionnelles d'élimination des métaux lourds en ajoutant des produits chimiques tels que la chaux et l'hydroxyde de sodium produisent des précipités avec des métaux lourds et des produits chimiques tous mélangés – comme différentes couleurs de Play-Doh tous mélangés – et comme ils ne peuvent pas être séparés les uns des autres facilement , ils doivent tous être jetés dans des décharges ou brûlés. Bien que l'équipe de recherche ait réussi à réguler la taille et la forme des précipités métalliques à la surface de la levure dans une certaine mesure, des travaux supplémentaires doivent être effectués pour déterminer comment éliminer ces particules métalliques de la levure et les recycler efficacement.

Pourquoi la levure génétiquement modifiée est-elle prometteuse pour l'avenir?

Nous générons de grandes quantités de déchets industriels, agricoles et électroniques qui contiennent des métaux lourds toxiques. Ces déchets, non traités ou partiellement traités, sont rejetés dans l'environnement, polluant les rivières et les océans. Lorsque les métaux lourds sont stockés dans les tissus vivants et les organes des organismes marins, ils ne se dégradent pas avec le temps et finissent par être transférés vers des prédateurs plus gros. De grandes quantités de métaux lourds peuvent nuire à la croissance, à la survie et à la reproduction des organismes marins, et la consommation de ces organismes contaminés par des métaux lourds est une menace potentielle pour la santé publique.

Actuellement, les industries utilisent des produits chimiques pour traiter les eaux usées, mais ces produits chimiques produisent des boues nocives qui doivent être enfouies ou compostées dans des décharges. Les produits chimiques doivent également être renouvelés à chaque fois après le traitement des eaux usées, de sorte que les coûts de traitement augmentent rapidement. Mais la levure peut être une alternative bon marché et largement disponible aux traitements chimiques. Plus d'un million de tonnes de levure ont été produites en 2015, et une chaîne mondiale de production et d'approvisionnement de levure existe déjà. La levure génétiquement modifiée est très facile à cultiver, car elle peut survivre à une large gamme de températures, d'acidité et de concentrations d'oxygène.

Pourtant, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour réussir à mettre en œuvre la biorestauration des levures dans un avenir proche. Comme mentionné ci-dessus, un moyen rentable et économique d'éliminer les métaux précipités à la surface de la levure doit encore être développé, afin que les métaux lourds et la levure puissent être recyclés. De plus, comme certains métaux lourds comme le mercure et le cadmium sont particulièrement plus menaçants pour la santé humaine que d'autres comme le calcium et le zinc, la précipitation sélective ou préférentielle de métaux lourds spécifiques peut être beaucoup plus pratique.

Néanmoins, une application plus large de levures génétiquement modifiées peut réduire considérablement le coût du traitement des eaux usées et de l'élimination des boues, garder les métaux lourds hors de nos océans et réduire les menaces environnementales et les impacts sur la santé des déchets toxiques pour les humains et l'écosystème marin.

Je suis doctorant en océanographie chimique à l'Université de Washington. J'étudie comment différentes formes de métaux dans l'océan façonnent les communautés microbiennes dans l'océan Pacifique Nord. Quand je ne travaille pas, j'aime me promener, visiter les marchés de producteurs et jouer du clavier.

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