Réduction microbienne des solides contenant du Fe(III) récupérés à partir des eaux de reflux de fracturation hydraulique : implications pour le traitement des eaux usées

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La fracturation hydraulique (hydraulic fracturing) est une technique utilisée pour extraire le gaz naturel des réservoirs non conventionnels, mais elle génère de grandes quantités d’eaux de reflux et d’eaux produites. Ces eaux contiennent des composés organiques et inorganiques complexes, en particulier les solides associés à ces fluides, qui sont généralement riches en fer (Fe), en matières organiques toxiques, en métaux lourds et en matières radioactives naturelles (NORM). Bien que ces solides représentent une menace potentielle pour l’environnement et la santé humaine, les recherches sur leur composition et leurs interactions avec les communautés microbiennes restent limitées. De plus, leur devenir environnemental à long terme est mal compris.

Cette étude vise à analyser les solides présents dans les eaux de reflux provenant d’un puits de fracturation hydraulique dans le schiste de Bowland (Bowland Shale) au Royaume-Uni, et à explorer le potentiel de réduction microbienne de ces solides riches en Fe(III) dans des conditions anaérobies. En utilisant un médiateur électronique (electron shuttle) — l’anthraquinone-2,6-disulfonate (AQDS) —, l’équipe de recherche a identifié les phases minérales issues de la réduction biologique et a analysé la composition des communautés microbiennes. Cette étude fournit de nouvelles perspectives pour le développement de stratégies de traitement des eaux usées basées sur les microorganismes, en particulier sur la manière d’utiliser ces solides de Fe(III) pour oxyder les matières organiques toxiques et réduire la toxicité des déchets.

Source de l’article

Cette recherche a été menée par Natali Hernandez-Becerra, Sophie L. Nixon, Christopher Boothman et Jonathan R. Lloyd du Williamson Research Centre for Molecular Environmental Science, Département des sciences de la Terre et de l’environnement de l’Université de Manchester (University of Manchester), au Royaume-Uni. L’article a été accepté le 2 décembre 2024 et publié dans la revue Geo-Bio Interfaces avec le DOI : 10.1180/gbi.2024.11.

Déroulement et résultats de l’étude

1. Récupération et caractérisation des solides

L’étude a commencé par la récupération des solides en suspension dans les eaux de reflux du schiste de Bowland. Les solides ont été séparés par centrifugation et caractérisés par diffraction des rayons X (XRD). Les résultats ont montré que ces solides contenaient principalement de l’akaganeite (β-FeOOH) et de la célestine (SrSO4) contenant du baryum. De plus, la microscopie électronique à balayage (SEM) et l’analyse par spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS) ont permis de confirmer la morphologie et la composition élémentaire de ces minéraux.

2. Expériences de réduction microbienne

L’équipe de recherche a conçu une série d’expériences de réduction microbienne en utilisant deux types d’inoculums : une culture pure de Shewanella frigidimarina (une bactérie halophile anaérobie facultative) et une culture enrichie en réducteurs de Fe(III) isolée des eaux de reflux. Les expériences ont été menées en conditions anaérobies avec l’AQDS comme médiateur électronique. La production de Fe(II) a été surveillée, et les phases minérales réduites ont été analysées par XRD et SEM.

Les résultats ont montré que tous les solides de Fe(III) traités ont été réduits en Fe(II), avec une accélération significative du processus en présence d’AQDS. Dans les traitements avec Shewanella frigidimarina et la culture enrichie, les concentrations de Fe(II) sont passées respectivement de 0,5 mmol/L et 2 mmol/L à 15 mmol/L et 21 mmol/L. L’analyse XRD a révélé la formation d’ankérite (Ca(Fe,Mg,Mn)(CO3)2) dans le traitement avec la culture enrichie, tandis qu’aucun minéral de Fe(II) hautement cristallin n’a été détecté dans le traitement avec Shewanella, probablement en raison de la formation de phases minérales amorphes.

3. Analyse des communautés microbiennes

Grâce au séquençage du gène 16S rRNA, l’équipe a analysé la composition des communautés microbiennes dans les solides. Les résultats ont montré que les principaux groupes microbiens dans les solides comprenaient Chromohalobacter, Caminicella et des genres présumés de réducteurs de Fe(III). Dans le traitement avec Shewanella, les séquences du genre Shewanella dominaient, tandis que dans le traitement avec la culture enrichie, les séquences du genre Fuchsiella étaient les plus abondantes. La capacité de ces microorganismes à réduire le Fe(III) offre un potentiel d’application pour le développement de stratégies de traitement des eaux usées basées sur les microorganismes.

Conclusions et implications

Cette étude est la première à caractériser en détail les solides de Fe(III) dans les eaux de reflux de fracturation hydraulique du schiste de Bowland au Royaume-Uni, et à démontrer leur potentiel de réduction microbienne. Les résultats montrent que les solides de Fe(III) peuvent être transformés en phases minérales plus faciles à traiter, comme l’ankérite, par réduction microbienne. De plus, le processus de réduction microbienne peut être optimisé (par exemple, en ajustant le pH et la salinité) pour favoriser la formation de minéraux magnétiques, comme la magnétite, améliorant ainsi l’efficacité de la récupération des déchets.

Cette recherche offre de nouvelles perspectives pour la gestion des eaux usées issues de la fracturation hydraulique, en particulier sur la manière d’utiliser la réduction microbienne des solides de Fe(III) pour oxyder les matières organiques toxiques et réduire la toxicité des déchets. De plus, elle met en lumière le rôle crucial des communautés microbiennes dans le traitement des eaux usées, fournissant une base scientifique pour la conception de futures stratégies de traitement.

Points forts de l’étude

  1. Première caractérisation des solides des eaux de reflux d’un système de schiste non nord-américain : Cette étude est la première à analyser en détail les solides des eaux de reflux du schiste de Bowland au Royaume-Uni, comblant une lacune géographique dans la recherche.
  2. Potentiel de réduction microbienne des solides de Fe(III) : L’étude démontre le potentiel de réduction microbienne des solides de Fe(III) et identifie les phases minérales issues de la réduction biologique.
  3. Application d’un médiateur électronique : L’ajout d’AQDS accélère significativement le processus de réduction du Fe(III), offrant de nouvelles pistes pour optimiser les conditions de réduction microbienne.
  4. Diversité des communautés microbiennes : L’étude révèle la richesse des communautés microbiennes dans les solides des eaux de reflux, en particulier la présence de réducteurs de Fe(III), fournissant des informations précieuses pour la conception de stratégies de traitement des eaux usées.

Autres informations utiles

L’étude souligne également que le Ba et le Sr (et probablement le Ra-226) dans les eaux de reflux restent immobilisés dans les phases minérales pendant la réduction du Fe(III), indiquant que ces phases minérales pourraient être stables dans le traitement des eaux usées. De plus, l’équipe de recherche recommande que les études futures explorent davantage la capacité des communautés microbiennes à dégrader les matières organiques et identifient les gènes fonctionnels liés à la dégradation des matières organiques par des approches métagénomiques.

Cette recherche fournit une base scientifique pour la gestion des eaux usées issues de la fracturation hydraulique et jette les bases du développement de stratégies de traitement des eaux usées basées sur les microorganismes.