Pollution phosphatée dans les rivières, lacs et autres cours d'eau a atteint des niveaux dangereux, provoquant des proliférations d'algues qui privent les poissons et les plantes aquatiques d'oxygène. Pendant ce temps, les agriculteurs du monde entier se réconcilient avec la diminution des réserves d'engrais phosphatés qui alimentent la moitié de l'approvisionnement alimentaire mondial.

Inspiré par les nombreux plans d'eau à proximité de Chicago, une équipe dirigée par la Northwestern University a mis au point un moyen d'éliminer et de réutiliser à plusieurs reprises le phosphate des eaux polluées. Les chercheurs comparent le développement à un "couteau de l'armée suisse" pour la dépollution, car ils adaptent leur membrane pour absorber puis libérer d'autres polluants.

La recherche sera publiée au cours de la semaine du 31 mai dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Le phosphore sous-tend à la fois le système alimentaire mondial et toute vie sur terre. Tous les organismes vivants de la planète en ont besoin :le phosphore est dans les membranes cellulaires, l'échafaudage de l'ADN et dans notre squelette. Bien que d'autres éléments clés comme l'oxygène et l'azote puissent être trouvés dans l'atmosphère, le phosphore n'a pas d'analogue. La petite fraction du phosphore utilisable provient de la croûte terrestre, qui met des milliers voire des millions d'années à disparaître. Et nos mines s'épuisent.

Un article de 2021 dans The Atlantic par Julia Rosen a cité l'essai d'Isaac Asimov de 1939, dans lequel l'écrivain et chimiste américain a surnommé le phosphore « le goulot d'étranglement de la vie ».

Face à la pénurie de cette ressource naturelle non renouvelable, il est tristement ironique que beaucoup de nos lacs souffrent d'un processus connu sous le nom d'eutrophisation, qui se produit lorsque trop de nutriments pénètrent dans une source d'eau naturelle. Au fur et à mesure que le phosphate et d'autres minéraux s'accumulent, la végétation aquatique et les algues deviennent trop denses, épuiser l'oxygène de l'eau et finalement tuer la vie aquatique.

« Avant, on réutilisait beaucoup plus le phosphate, " a déclaré Stéphanie Ribet, le premier auteur de l'article. "Maintenant, nous le retirons simplement du sol, utilisez-le une fois et jetez-le dans les sources d'eau après utilisation. Donc, c'est un problème de pollution, un problème de durabilité et un problème d'économie circulaire."

Les écologistes et les ingénieurs ont traditionnellement développé des tactiques pour répondre aux préoccupations croissantes en matière d'environnement et de santé publique concernant le phosphate en éliminant le phosphate des sources d'eau. Ce n'est que récemment que l'accent s'est déplacé de l'élimination vers la récupération du phosphate.

"On peut toujours faire certaines choses en laboratoire, " dit Vinayak Dravid, l'auteur correspondant de l'étude. "Mais il y a un diagramme de Venn quand il s'agit de passer à l'échelle, où vous devez pouvoir faire évoluer la technologie, vous voulez qu'il soit efficace et vous voulez qu'il soit abordable. Il n'y avait rien dans cette intersection des trois avant, mais notre éponge semble être une plateforme qui répond à tous ces critères."

Dravid est le professeur Abraham Harris de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern, le directeur fondateur du Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental Center (NUANCE), et directeur de la Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental Resource (SHyNE). Dravid est également directeur des initiatives mondiales pour l'Institut international de nanotechnologie de Northwestern. Ribet est titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Dravid et premier auteur de l'article.

La membrane légère d'élimination et de récupération des phosphates (PEARL) de l'équipe est une membrane poreuse, substrat souple (comme une éponge enduite, tissu ou fibres) qui séquestre sélectivement jusqu'à 99 % des ions phosphate de l'eau polluée. Recouvert de nanostructures qui se lient au phosphate, la membrane PEARL peut être ajustée en contrôlant le pH pour absorber ou libérer les nutriments pour permettre la récupération du phosphate et la réutilisation de la membrane pour de nombreux cycles.

Les méthodes actuelles pour éliminer le phosphate sont basées sur des complexes, longue, méthodes en plusieurs étapes. La plupart d'entre eux ne récupèrent pas non plus le phosphate lors de l'élimination et génèrent finalement beaucoup de déchets physiques. La membrane PEARL fournit un processus simple en une étape pour éliminer le phosphate qui le récupère également efficacement. Il est également réutilisable et ne génère aucun déchet physique.

À l'aide d'échantillons du Water Reclamation District de Chicago, les chercheurs ont testé leur théorie avec la complexité supplémentaire d'échantillons d'eau réels.

"Nous appelons souvent cela une" solution à l'échelle nanométrique à un problème de gigatonne, "", a déclaré Dravid. "À bien des égards, les interactions à l'échelle nanométrique que nous étudions ont des implications pour la remédiation au niveau macro."

L'équipe a démontré que l'approche à base d'éponges est efficace à des échelles, allant du milligramme au kilogramme, suggérant une promesse de mise à l'échelle encore plus loin.

Cette recherche s'appuie sur un ancien développement de la même équipe—Vikas Nandwana, un membre du groupe Dravid et co-auteur de la présente étude était le premier auteur - appelé l'éponge OHM (oléophile hydrophobe multifonctionnelle) qui utilisait la même plate-forme d'éponge pour éliminer et récupérer sélectivement l'huile résultant de la contamination par l'huile dans l'eau. En modifiant le revêtement de nanomatériau dans la membrane, l'équipe prévoit d'utiliser ensuite son framework de type "plug-and-play" pour s'attaquer aux métaux lourds. Ribet a également déclaré que plusieurs polluants pourraient être traités à la fois en appliquant plusieurs matériaux avec des affinités sur mesure.

"Ce défi d'assainissement de l'eau frappe si près de chez nous, " a déclaré Ribet. " Le bassin occidental du lac Érié est l'une des principales zones auxquelles vous pensez quand il s'agit d'eutrophisation, et j'ai été inspiré par en apprendre davantage sur les défis de l'assainissement de l'eau dans notre quartier des Grands Lacs. »