Le traitement des eaux usées peut être un travail peu glorieux, mais les bactéries sont heureuses de le faire. Les stations d'épuration dépendent des bactéries pour éliminer les toxines environnementales des déchets afin que l'eau traitée puisse être rejetée en toute sécurité dans les océans et les rivières.

Maintenant, une bactérie découverte par des chercheurs de Princeton dans un marécage du New Jersey peut offrir une méthode plus efficace pour traiter les toxines trouvées dans les eaux usées, ruissellement d'engrais et autres formes de pollution de l'eau.

La bactérie, Bactérie acidimicrobiacée A6, est capable de décomposer l'ammonium, un polluant trouvé dans les eaux d'égout et le ruissellement des engrais. Encore plus intriguant est que A6 peut effectuer cette conversion chimique en l'absence d'oxygène, une capacité qui pourrait être utile pour fournir des méthodes alternatives aux méthodes coûteuses dépendantes de l'oxygène actuellement utilisées dans le traitement des eaux usées et d'autres processus.

"Une grande quantité d'énergie est utilisée par les machines qui mélangent l'air aux eaux usées pour fournir de l'oxygène pour décomposer l'ammonium, " a déclaré Peter Jaffe, le professeur William L. Knapp '47 de génie civil à Princeton et professeur au Centre Andlinger de Princeton pour l'énergie et l'environnement. "A6 effectue cette même réaction de manière anaérobie et pourrait présenter une méthode plus efficace pour traiter l'ammonium et un moyen de traiter d'autres polluants environnementaux trouvés dans les zones pauvres en oxygène, comme les aquifères souterrains."

Jaffe et son collègue Shan Huang, chercheur associé en génie civil et environnemental à Princeton, a rapporté la découverte d'A6 et de ses capacités uniques le 11 avril dans le journal PLOS UN .

La plupart des stations d'épuration qui se déversent dans les océans ou les rivières utilisent déjà des bactéries pour éliminer l'ammonium des déchets, mais cela nécessite de brasser beaucoup d'air dans les boues pour alimenter les bactéries en oxygène. Les bactéries utilisent l'oxygène dans une réaction chimique qui transforme l'ammonium en nitrite, puis d'autres bactéries convertissent le nitrite en azote gazeux inoffensif.

L'élimination de l'ammonium est importante pour éviter l'épuisement de l'oxygène dans les cours d'eau et pour empêcher l'eutrophisation, la croissance excessive d'algues et d'autres plantes déclenchée par les composés azotés provenant des eaux usées et du ruissellement agricole.

Un procédé chimique alternatif pour décomposer l'ammonium, connu sous le nom de Feammox, se produit en milieu acide, riche en fer, milieux humides et sols, et a été trouvé dans les sols des zones humides riveraines du New Jersey, dans les sols des forêts tropicales humides de Porto Rico, dans les sols des zones humides en Caroline du Sud, et dans divers endroits boisés et humides du sud de la Chine. Ce n'était pas clair, cependant, ce qui a permis la réaction Feammox.

Jaffe et Huang avaient le pressentiment qu'une seule bactérie pourrait être à l'origine du processus en 2015 lors de l'étude d'échantillons prélevés dans la zone humide d'Assunpink près de Trenton, New Jersey. Dans une étude à l'époque, Jaffe et ses collègues ont découvert que la réaction de Feammox n'avait lieu dans les échantillons de marais qu'en présence d'une classe de bactéries appelée Actinobactéries. Parmi ces bactéries, les chercheurs ont identifié une espèce spécifique de bactérie qu'ils ont surnommée Bactérie acidimicrobiacée A6 et qu'ils soupçonnaient avoir joué un rôle clé dans la réaction de Feammox. Ils avaient le pressentiment que A6 convertissait l'ammonium en nitrite et que les bactéries courantes géraient la conversion du nitrite en azote gazeux.

Cependant, isoler la bactérie et confirmer définitivement son rôle a demandé des années de recherches minutieuses. Dans leur nouvelle étude, l'équipe de Princeton a mélangé des échantillons de sol prélevés dans la zone humide du New Jersey avec de l'eau et un matériau contenant de l'oxyde de fer et de l'ammonium et a laissé le mélange incuber dans des flacons pendant près d'un an.

Le mélange des échantillons de sol et du milieu métallique dans les flacons a été effectué dans une chambre sans oxygène et les flacons ont été scellés hermétiquement pour imiter les conditions anaérobies du sol des zones humides d'où provenaient les bactéries.

Environ toutes les deux semaines au cours de l'année, les scientifiques ont prélevé un petit échantillon de chacun des flacons pour voir si l'oxyde de fer et l'ammonium se dégradaient. Quand ils ont découvert un échantillon où cette réaction avait lieu, ils ont utilisé le séquençage génétique pour identifier les espèces bactériennes présentes et ont définitivement découvert que A6 effectuait la réaction de Feammox.

"Depuis que nous avons découvert que la réaction avait lieu dans la zone humide ici dans le New Jersey, nous avons soupçonné qu'une bactérie faisait le gros du travail, " dit Jaffe. " Cette étude a confirmé que A6 a cette capacité, ce qui en fait la première espèce connue connue pour effectuer la réaction de Feammox."

L'équipe de Princeton étudie comment construire un réacteur où A6 pourrait être utilisé pour traiter l'ammonium à l'échelle industrielle. Un défi est que les bactéries consomment beaucoup de fer pour mener à bien le processus, ce qui le rendrait trop coûteux comme méthode de remplacement de l'aération. Pour contourner ce problème, les chercheurs expérimentent l'application d'un petit potentiel électrique entre deux électrodes insérées dans le liquide du réacteur dans un appareil qu'ils ont surnommé une "cellule d'électrolyse microbienne". Les électrodes peuvent alors jouer le rôle que le fer jouait dans la réaction de Feammox.

L'équipe de Princeton travaille avec le ministère chinois de l'Environnement pour développer un prototype de réacteur permettant de réduire l'ammonium et les métaux lourds dans les eaux usées. Ils cherchent à savoir si la technologie pourrait aider à lutter contre l'eutrophisation, où les nutriments excessifs dans le ruissellement endommagent les rivières, lacs et côtes.

Les chercheurs ont également découvert qu'en oxydant l'ammonium, la bactérie A6 est également capable d'éliminer simultanément le trichloroéthylène et le tétrachloroéthylène, deux polluants difficiles à traiter que l'on retrouve souvent sur les sites pollués. La bactérie devait également transférer des électrons à d'autres composés que le fer comme l'uranium et le cuivre. Dans le cas de l'uranium, le transformer en une forme qui n'est pas soluble dans l'eau.

"Parce qu'il ne nécessite pas d'oxygène, A6 pourrait survivre dans des endroits où d'autres bactéries pourraient ne pas, comme dans les eaux souterraines contaminées, " dit Jaffe. "Combinez cela avec sa polyvalence dans l'assainissement de divers polluants et il pourrait devenir un outil très important pour résoudre une série de problèmes environnementaux."