L'une des plus grandes menaces pour l'environnement aujourd'hui est constituée par les eaux usées provenant des activités de production. Pratiques agricoles, comme l'élevage de porcs, produire une grande quantité d'eaux usées contenant des contaminants organiques, gaz malodorants, et d'autres substances qui nuisent à l'approvisionnement en eau. Les méthodes habituelles de traitement et de recyclage de ces eaux usées comprennent l'aération, en l'appliquant comme engrais à d'autres zones agricoles ou en le confinant dans des étangs et des zones humides spécialisés pour subir des processus de nettoyage naturels.

Cependant, dans des régions comme Okinawa, Japon, avec des ressources foncières limitées et beaucoup d'élevages porcins, la quantité d'eaux usées produites dépasse les terres disponibles pour le traitement et le recyclage. En tant que tel, il y a un grand besoin de trouver mieux, plus rapide, et des méthodes moins coûteuses de traitement des eaux usées, qui fait partie de ce qui a donné naissance à l'Unité des systèmes biologiques à l'Université d'études supérieures de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST). Grâce à une technologie prometteuse de traitement des eaux usées, appelée pile à combustible microbienne (MFC), l'Unité vise à aider l'île - et par procuration, d'autres endroits avec des problèmes d'eaux usées similaires - réduire sa charge d'eaux usées.

Un MFC est, en un sens, un conteneur anaérobie de bactéries concentrées qui se nourrissent de matières biodégradables et de bactéries présentes dans les eaux usées. Il fonctionne par bio-électrochimie, ce qui signifie que l'énergie utilisée pour faire fonctionner la cellule est générée par le transfert d'électrons des bactéries aux électrodes à l'intérieur de l'appareil - aucune source d'énergie extérieure n'est nécessaire. Lorsque les eaux usées passent à travers un MFC, les bactéries « nourrissantes » digèrent les composés organiques des eaux usées et de l'eau plus propre sort de l'autre côté. En outre, le processus de digestion expulse de l'énergie qui est convertie en électricité utilisable. Le résultat final est un appareil qui nettoie les eaux usées et génère de l'électricité tout en le faisant.

"[Les cellules sont] peu d'entretien, à bas prix, et n'ont pas beaucoup de pièces mobiles, " explique David Simpson, un technicien dans l'Unité des Systèmes Biologiques de l'OIST. Ceci est important pour ceux qui n'ont pas le temps ou les ressources nécessaires pour entretenir des équipements de traitement coûteux, une description qui convient parfaitement aux travailleurs harcelés tels que les éleveurs de porcs.

"Idéalement, ce sur quoi nous travaillons est de mettre la pile à combustible [là où vous en avez besoin] et de l'oublier, " explique le professeur Igor Goryanin, qui dirige l'Unité à l'OIST. « Il surveillera et traitera les eaux usées par lui-même. »

Les chercheurs de l'OIST ont déjà mis au point des MFC capables de fonctionner pendant de longues périodes sans se décomposer ni "s'écraser". Maintenant, dans un article publié dans Scientifique , ils ont également identifié un moyen de renforcer les performances des appareils. Avant d'exécuter un MFC, il doit d'abord être cultivé, ou inoculé, avec les bactéries "digérantes". Pour faire ça, on pelle des boues contenant des bactéries dans une partie du MFC appelée l'anode. Ici, les bactéries souhaitées sont propagées pour une utilisation ultérieure dans le traitement des eaux usées.

Dans leur étude, les chercheurs de l'OIST ont émis l'hypothèse qu'un MFC traitera mieux les eaux usées si l'anode est préparée avec des boues qui ont été en contact préalable avec ce flux de déchets particulier. Ils ont testé cette hypothèse dans une ferme porcine locale gérée par le Centre de recherche sur l'élevage d'Okinawa à Nakijin, un village dans la partie nord de l'île. Ils ont utilisé des boues collectées dans un réservoir de réception d'eaux usées de porcs dans cette ferme, ainsi que des boues collectées à partir d'un réacteur d'eaux usées dans une brasserie locale. En comparant la productivité des deux types de MFC, ils ont découvert que les boues de porc MFC traitaient les eaux usées de la ferme porcine bien mieux que celles de la brasserie locale. Les marqueurs utilisés par les chercheurs pour en juger étaient le taux d'élimination de la demande chimique en oxygène et des acides gras volatils, contaminants de l'approvisionnement en eau, ainsi que la production d'électricité.

En plus de l'élevage porcin, l'unité a des MFC placés sur d'autres sites à Okinawa et dans le monde, y compris une distillerie Awamori à Okinawa, une distillerie de whisky en Ecosse, et une cave en Californie, États Unis. En Californie, ils utilisent les eaux usées traitées pour l'irrigation. Les MFC du site de la distillerie d'Awamori fonctionnent depuis environ 5 ans. Simpson explique que, à l'heure actuelle, ces MFC sur le site d'Awamori nettoient l'eau à un niveau qui permet un rejet sûr dans les égouts.

"[Nous pouvons] éliminer les matières organiques à un degré élevé, avec environ 90 pour cent d'efficacité, " explique Simpson. " Mais le traiter libère de l'ammoniac et des phosphates. " Ce sont des produits chimiques qui peuvent provoquer un appauvrissement en oxygène dans l'eau ainsi que des proliférations d'algues nocives. " Nous essayons donc de boucler la boucle. " Ils travaillent pour récolter les nutriments. phosphate, ammoniac—à l'échelle du laboratoire.

L'unité travaille actuellement avec des collaborateurs du Centre de recherche préfectoral d'Okinawa sur l'élevage et les prairies et le Centre des sciences de l'environnement d'Okinawa, avec le financement du gouvernement de la préfecture d'Okinawa, développer une solution pour capter et éliminer les nutriments, potentiellement conduire à des sous-produits précieux et durables pour les engrais.

"L'idée du traitement des eaux usées est d'aider à terme les pays qui n'ont pas accès à l'eau potable, " explique le professeur Goryanine, "peut-être en nettoyant l'eau à utiliser dans les puits d'eau potable."

Pour l'instant, les chercheurs de l'OIST continueront de tester, Cours, et optimiser leurs MFC dans l'espoir qu'un jour, ils puissent alléger le fardeau des eaux usées dans le monde.