Une équipe de chercheurs allemands a découvert que la biomasse de certaines cyanobactéries photosynthétiques exotiques peut absorber efficacement les éléments de terres rares des eaux usées.
Dans un article publié dans la revue Frontières en bioingénierie et biotechnologie, les scientifiques disent que les eaux usées idéales à cette fin sont celles issues de l’exploitation minière, de la métallurgie ou du recyclage des déchets électroniques. Les ETR absorbés peuvent ensuite être lavés de la biomasse et collectés pour être réutilisés.
« Ici, nous avons optimisé les conditions d’absorption des ETR par la biomasse cyanobactérienne et caractérisé les mécanismes chimiques les plus importants pour les lier. Ces cyanobactéries pourraient être utilisées dans de futurs processus respectueux de l’environnement pour la récupération et le traitement simultanés des ETR des eaux usées industrielles », a déclaré Thomas Brück, professeur à l’Université technique de Munich et dernier auteur de l’étude, dans un communiqué de presse.
Brück a expliqué que la biosorption est un processus métaboliquement passif pour la liaison rapide et réversible des ions des solutions aqueuses à la biomasse.
Lui et ses collègues ont mesuré le potentiel de biosorption des ETR lanthane, cérium, néodyme et terbium par 12 souches de cyanobactéries en culture de laboratoire. La plupart de ces souches n’avaient jamais été évaluées pour leur potentiel biotechnologique auparavant. Ils ont été prélevés dans des habitats hautement spécialisés tels que les sols arides des déserts namibiens, la surface des lichens du monde entier, les lacs natron au Tchad, les crevasses dans les rochers en Afrique du Sud ou les ruisseaux pollués en Suisse.
Les auteurs ont découvert qu’une nouvelle espèce non caractérisée de Nostoc avaient la plus grande capacité de biosorption des ions de ces quatre ETR à partir de solutions aqueuses, avec des efficacités comprises entre 84,2 et 91,5 mg par g de biomasse, tandis que Scytonema hyalinum avait l’efficacité la plus faible à 15,5 à 21,2 mg par g. Aussi efficaces étaient Synechococcus s’allonge, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissimaet une nouvelle espèce non caractérisée de Komarekiella.
On a constaté que la biosorption dépendait fortement de l’acidité : elle était la plus élevée à un pH compris entre cinq et six et diminuait régulièrement dans les solutions plus acides. Le processus était le plus efficace lorsqu’il n’y avait pas de « concurrence » pour la surface de biosorption sur la biomasse de cyanobactéries par les ions positifs d’autres métaux non ETR tels que le zinc, le plomb, le nickel ou l’aluminium.
Processus rapide
Les auteurs ont utilisé une technique appelée spectroscopie infrarouge pour déterminer quels groupes chimiques fonctionnels de la biomasse étaient principalement responsables de la biosorption des terres rares.
« Nous avons découvert que la biomasse dérivée de cyanobactéries présente d’excellentes caractéristiques d’adsorption en raison de leur forte concentration de fragments de sucre chargés négativement, qui portent des groupes carbonyle et carboxyle. Ces composants chargés négativement attirent les ions métalliques chargés positivement tels que les terres rares et soutiennent leur attachement à la biomasse », a déclaré Michael Paper, premier auteur de l’étude.
Brück, Paper et leurs collègues ont conclu que la biosorption des ETR par les cyanobactéries est possible même à de faibles concentrations de métaux. Le processus est également rapide : par exemple, la majeure partie du cérium en solution a été biosorbée dans les cinq minutes suivant le début de la réaction.
« Les cyanobactéries décrites ici peuvent adsorber des quantités d’ETR correspondant jusqu’à 10 % de leur matière sèche. La biosorption présente donc un processus économiquement et écologiquement optimisé pour la récupération et la réutilisation circulaires des métaux de terres rares des eaux usées industrielles diluées des secteurs minier, électronique et de la production de catalyseurs chimiques », a déclaré Brück.
Selon lui, ce système devrait devenir économiquement réalisable dans un proche avenir, car la demande et les prix du marché des ETR devraient augmenter considérablement dans les années à venir.
Les terres rares sont des ingrédients clés des diodes électroluminescentes, des téléphones portables, des moteurs électriques, des éoliennes, des disques durs, des caméras, des aimants et des ampoules basse consommation. Cependant, du fait de leur rareté et de la demande, ils sont chers. Par exemple, un kilo d’oxyde de néodyme coûte actuellement environ 200 €, alors que la même quantité d’oxyde de terbium coûte environ 3 800 €.
Aujourd’hui, la Chine détient un quasi-monopole sur l’exploitation des terres rares.
