Sur les friches industrielles, des bactéries ont appris à se nourrir de la pollution

Source: The Conversation – in French – By Catherine Armbruster, Assistant Professor of Biological Sciences, Carnegie Mellon University

---

L’ESSENTIEL

• Les sols sous nos pieds sont vivants : un seul gramme de sol peut contenir des milliards de bactéries.

• Dans les friches industrielles dont les sols sont pollués, certaines bactéries sont capables de se nourrir des polluants et prolifèrent.

• L’analyse de leur ADN et des tests en laboratoire permettent de comprendre comment elles dégradent ces substances, ce qui pourrait nous aider à améliorer la dépollution des sols.

---

Dans les Appalaches et la Rust Belt, cette région des États-Unis marquée par le déclin industriel, notamment à Pittsburgh, d’anciens sites industriels sont reconvertis en nouveaux quartiers, en centres de recherche et en pôles technologiques. Mais, sous ces sites, une autre transformation est à l’œuvre depuis des décennies.

Ces friches sont d’anciens sites industriels ou commerciaux. Les projets de reconversion peuvent être rendus compliqués par la pollution, et sont souvent définis autour des vestiges de leur activité passée — des usines abandonnées, des terrains vacants et des sols contaminés par des substances cancérogènes. Mais, sous la surface, ces friches sont des écosystèmes vivants : des milliards de microbes peuplent leurs sols. À Pittsburgh, certains réagissent et s’adaptent depuis des décennies à la pollution héritée du passé industriel de la ville.

Microbiologiste, je me suis intéressé à ce sujet à cause d’une friche toute proche de moi. Mon laboratoire, à l’université Carnegie Mellon, se trouve à seulement trois kilomètres de Hazelwood Green, un ancien site industriel de 72 hectares qui borde la rivière Monongahela, à Pittsburgh.

Pendant plus d’un siècle, ce site a accueilli des activités sidérurgiques, notamment celles de la Jones & Laughlin Steel Co. À son apogée, cette entreprise industrielle employait des milliers d’ouvriers. Elle a contribué à faire de Pittsburgh la « ville de l’acier ».

L’histoire de Pittsburgh a aussi laissé un héritage chimique. Comme sur beaucoup d’anciens sites industriels, les sols de Hazelwood Green étaient contaminés par des hydrocarbures pétroliers, des métaux lourds et d’autres polluants, ce qui lui a valu d’être classée comme friche industrielle polluée. Parmi ces contaminants figurent le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et les xylènes, un ensemble de composés dérivés du pétrole regroupés sous l’acronyme BTEX. Ces substances peuvent être toxiques pour les humains et d’autres organismes, et certaines sont reconnues comme cancérogènes.

Au cours des dernières décennies, la reconversion de Hazelwood Green a demandé de dépolluer les sols. Le site est devenu un nouveau pôle de recherche, de technologie et d’initiatives locales. Ces travaux soulèvent une question biologique intéressante : que sont devenus les micro-organismes qui vivaient dans ces sols lorsqu’ils étaient contaminés ? Et leur manière de faire face à cette pollution peut-elle nous aider à mieux dépolluer d’autres friches à l’avenir ?

La pollution comme expérience évolutive

Les sols abritent une extraordinaire diversité de microorganismes. Un seul gramme peut contenir des milliards de bactéries appartenant à des milliers d’espèces différentes.

Lorsque des polluants comme les BTEX pénètrent dans cet environnement, les microbes font face à un nouveau défi écologique. Pour de nombreux organismes, ces substances peuvent être toxiques. Mais certains microbes possèdent déjà des mécanismes métaboliques qui leur permettent de les tolérer, voire de s’en nourrir. Ils disposent ainsi d’un avantage sur les autres bactéries présentes sur le site.

Au fil du temps, la pollution exerce une pression de sélection sur ces microbes. Les bactéries capables d’y survivre, voire de dégrader les polluants, deviennent plus nombreuses. Et elles peuvent transmettre cette capacité à d’autres bactéries, au-delà de leur propre descendance, en échangeant directement des gènes.

À Hazelwood Green, des décennies de pollution industrielle ont ainsi constitué, sans que personne l’ait voulu, une gigantesque expérience sur l’évolution. Mon laboratoire, au sein du département de biologie de l’université Carnegie Mellon, cherche à en comprendre les résultats. Nous prélevons des échantillons de sol dans différentes zones de Hazelwood Green, dont les niveaux de contamination passés varient.

Les carottes de sol – des échantillons cylindriques prélevés verticalement depuis la surface, qui préservent les différentes couches du sol – nous permettent d’examiner les communautés microbiennes en profondeur. Nous en extrayons l’ADN, puis procédons à un séquençage métagénomique. Cette technique permet d’identifier tous les micro-organismes présents dans un échantillon environnemental directement à partir de leur ADN, plutôt que de les cultiver et de les étudier un par un.

Au-delà de l’identification des microbes présents, nous cherchons à comprendre ce dont ils sont capables. L’un de nos objectifs est de repérer les gènes bactériens associés à la dégradation des BTEX et d’autres hydrocarbures.

Nous avons reporté sur une carte du site actuel des données de contamination couvrant plusieurs décennies, puis comparé l’abondance des microbes selon les lieux et les profondeurs. Nous cherchons ainsi à savoir si la pollution passée a laissé une empreinte durable sur les communautés microbiennes de Hazelwood Green.

À la recherche de microbes qui se nourrissent de polluants

Le séquençage de l’ADN nous aide à comprendre ce dont les microbes pourraient être capables. Mais nous vérifions aussi directement ces prédictions. Nous isolons des bactéries provenant de Hazelwood Green et d’autres sites de Pittsburgh, puis nous testons leur capacité à se nourrir de différents polluants, pris un à un.

Le principe de l’expérience, qui vise à repérer les bactéries capables de dégrader les BTEX, est simple. Habituellement, les bactéries sont cultivées en laboratoire dans des milieux riches en nutriments, contenant des sucres, des acides aminés et d’autres composés qu’elles peuvent facilement consommer. Nous les cultivons, au contraire, dans un milieu minimal dépourvu de toute source de carbone. Or, pour se développer, la plupart des bactéries ont besoin d’une source de carbone organique, qui constitue en quelque sorte leur « nourriture ».

Nous ajoutons alors un polluant — benzène, toluène, éthylbenzène ou xylène — comme unique source de carbone dans le milieu de culture. Si les bactéries se développent, cela suggère qu’elles peuvent s’en nourrir. Ce faisant, elles éliminent le polluant de leur environnement et contribuent à dépolluer le sol.

Identifier ces organismes un par un prend du temps. Nous avons donc noué un partenariat avec l’AI Science Foundry de l’université Carnegie Mellon, un laboratoire robotisé et automatisé installé à Bakery Square, une autre friche de Pittsburgh désormais dépolluée.

Ses systèmes robotisés nous permettent de tester simultanément des milliers d’espèces de bactéries et de mesurer la capacité de chacune à dégrader des polluants comme les BTEX. En parallèle, les outils en accès libre que nous développons, comme BTEXgenie, recherchent dans les génomes bactériens les gènes susceptibles de contribuer à la dégradation des polluants.

Cette approche inverse l’ordre habituel des recherches. Plutôt que d’étudier un organisme à la fois en espérant qu’il soit utile, nous pouvons d’abord analyser des milliers de génomes pour repérer les candidats prometteurs, puis vérifier en laboratoire lesquels sont effectivement capables de dégrader les polluants. Chaque série de tests améliore aussi notre capacité à prédire les fonctions d’un microbe à partir de son seul ADN. Plus nous apprenons, plus le processus s’accélère.

Les microbes peuvent-ils dépolluer nos sols ?

Dépolluer les sols est difficile et coûteux. Les méthodes courantes – excaver les terres contaminées ou les recouvrir de matériaux propres – peuvent rendre un terrain suffisamment sûr pour permettre sa reconversion, sans pour autant éliminer les polluants. Une surveillance à long terme peut donc rester nécessaire.

L’utilisation de microorganismes pour éliminer les polluants de l’environnement n’est pas une idée nouvelle. La bioremédiation est déjà employée pour traiter les marées noires et les eaux usées. Dans de nombreux cas, les microbes dégradent naturellement ces contaminants au cours de leur croissance, les transformant en composés moins nocifs.

Toutefois, l’efficacité de la bioremédiation varie selon les polluants et les sites contaminés. L’une des principales difficultés consiste à identifier des microbes capables de dégrader un contaminant donné tout en se développant dans les conditions du milieu où il se trouve. C’est là que l’étude des microbes vivant déjà dans des environnements pollués nous donne un avantage.

En identifiant ces microbes naturellement adaptés à la pollution et en comprenant comment ils métabolisent les polluants, nous pourrions améliorer les méthodes actuelles de bioremédiation.

Alors que les anciens sites industriels de Pittsburgh et de la Rust Belt se transforment en pôles scientifiques et technologiques, certaines des innovations biologiques dont nous avons besoin se développent peut-être depuis longtemps sous nos pieds. Nous commençons tout juste à découvrir ce que ces microbes ont appris.

Catherine Armbruster bénéficie d’un financement de la Richard King Mellon Foundation pour étudier la dépollution des friches industrielles par les micro-organismes.

– ref. Sur les friches industrielles, des bactéries ont appris à se nourrir de la pollution – https://theconversation.com/sur-les-friches-industrielles-des-bacteries-ont-appris-a-se-nourrir-de-la-pollution-293040