Facteurs influençant l'efficacité de la remédiation microbienne du sélénium dans les eaux souterraines près d'une centrale au charbon

Le sélénium (Selenium) est un oligo-élément essentiel, largement présent dans la nature et impliqué dans de nombreux processus métaboliques biologiques. Cependant, lorsque sa concentration est trop élevée, il peut avoir des effets toxiques graves sur les humains, les animaux et l’environnement. Les activités industrielles, en particulier la combustion du charbon dans les centrales électriques, sont l’une des principales sources de pollution des eaux souterraines par le sélénium. Au cours de la combustion du charbon, les cendres volantes (fly ash) produites peuvent libérer du sélénium par lessivage, contaminant ainsi les eaux souterraines. Les formes toxiques du sélénium sont principalement ses états oxydés, tels que le sélénate (selenate, Se(VI)) et le sélénite (selenite, Se(IV)), qui sont très solubles dans l’eau et facilement absorbés par les organismes, représentant ainsi une menace pour les écosystèmes et la santé humaine.

Pour répondre à ce problème, les chercheurs ont exploré diverses techniques de remédiation, parmi lesquelles la remédiation microbienne (microbial remediation) est devenue un sujet de recherche privilégié ces dernières années en raison de son efficacité économique et de son respect de l’environnement. La remédiation microbienne utilise la capacité métabolique des communautés microbiennes naturelles pour réduire les formes toxiques de sélénate et de sélénite en sélénium élémentaire insoluble (elemental selenium, Se(0)), réduisant ainsi la biodisponibilité et la toxicité du sélénium. Cependant, l’efficacité de la remédiation microbienne est influencée par plusieurs facteurs, notamment les conditions chimiques des eaux souterraines, la structure géologique, le choix des sources de carbone et la composition des communautés microbiennes. Par conséquent, une compréhension approfondie de l’impact de ces facteurs sur le processus de réduction du sélénium est essentielle pour optimiser les stratégies de remédiation.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par une équipe de recherche de l’Université d’État du Montana (Montana State University), dont les principaux auteurs sont Hannah R. Koepnick, Brent M. Peyton et Ellen G. Lauchnor. L’article a été publié en 2025 dans la revue Geo-Bio Interfaces sous le titre Factors Influencing the Efficacy of Microbial Remediation of Selenium in Groundwater Near a Coal-Fired Power Plant. Cette étude a été soutenue par le Montana Water Center et visait à explorer l’efficacité de la remédiation microbienne du sélénium dans les eaux souterraines près d’une centrale électrique au charbon, ainsi que les facteurs influençant cette efficacité.

Processus et résultats de la recherche

Processus de la recherche

1. Conception expérimentale et échantillonnage

L’équipe de recherche a sélectionné quatre puits de surveillance près d’une centrale électrique au charbon dans le sud-est du Montana, situés dans différentes unités géologiques (alluvial, interburden, coal et background). En prélevant des échantillons d’eau souterraine et de biofilm de ces puits, ils ont construit des systèmes de microcosmes en laboratoire pour simuler le processus de remédiation microbienne dans les eaux souterraines.

2. Choix des sources de carbone et construction des microcosmes

Les chercheurs ont testé l’impact de trois sources de carbone (glycérol, méthanol et mélasse) sur la réduction du sélénium. Chaque microcosme était composé de 100 ml d’eau souterraine enrichie de 1000 ppb de sélénium et de 3,2 à 3,4 g de sable recouvert de biofilm. Les sources de carbone ont été ajoutées à une concentration de 0,5 mM, et les expériences ont été menées à une température constante de 10°C pour simuler les conditions froides des eaux souterraines.

3. Surveillance des nitrates et du sélénium

Au cours de l’expérience, des échantillons d’eau ont été prélevés régulièrement, et les concentrations de nitrates et de sélénium ont été mesurées respectivement par chromatographie ionique (ion chromatography) et spectrométrie de masse à plasma inductif (ICP-MS). De plus, la spéciation du sélénium a été analysée par détection de fluorescence après génération d’hydrures (hydride generation fluorescence detection) pour déterminer la transformation du sélénate et du sélénite.

4. Analyse des communautés microbiennes

À la fin de l’expérience, les chercheurs ont séquencé le gène 16S rRNA des communautés microbiennes dans les microcosmes pour analyser l’impact des différentes sources de carbone et des unités géologiques sur la composition des communautés microbiennes. En utilisant l’analyse de dimensionnement multidimensionnel non métrique (NMDS) et l’analyse des espèces indicatrices (indicator species analysis), ils ont identifié les groupes microbiens clés associés à la réduction du sélénium.

Principaux résultats

1. Élimination des nitrates

Dans tous les microcosmes enrichis en carbone, les nitrates ont été efficacement éliminés, avec la mélasse montrant le taux d’élimination le plus élevé. Le taux d’élimination des nitrates était significativement corrélé au type de source de carbone, la mélasse surpassant significativement le glycérol et le méthanol. De plus, le taux d’élimination des nitrates n’était pas lié à l’unité géologique, indiquant que la source de carbone était le principal facteur influençant l’élimination des nitrates.

2. Réduction du sélénium

La réduction du sélénium a commencé uniquement après l’élimination complète des nitrates, et les microcosmes de différentes unités géologiques ont montré des différences significatives. Les microcosmes situés dans la couche alluviale (alluvial) ont montré la meilleure efficacité d’élimination du sélénium, tandis que ceux situés dans la couche de charbon (coal) et la couche intermédiaire (interburden) ont montré une efficacité moindre. La mélasse, comme source de carbone, a permis la réduction la plus rapide du sélénium, mais le méthanol et le glycérol ont également favorisé efficacement la réduction du sélénium.

3. Composition des communautés microbiennes

La composition des communautés microbiennes était significativement corrélée à la source de carbone et à l’unité géologique. Dans les microcosmes enrichis en mélasse et en glycérol, des groupes microbiens capables de réduire le sélénium, tels que Pseudomonas et Hydrogenophaga, se sont significativement enrichis. De plus, les chercheurs ont découvert que Desulfosporosinus et Gracilibacter, appartenant à l’ordre des Clostridiales, pourraient être des espèces indicatrices clés de la réduction du sélénium.

Conclusions et implications

Cette étude montre que la source de carbone et l’unité géologique sont des facteurs clés influençant l’efficacité de la remédiation microbienne du sélénium dans les eaux souterraines. La mélasse, comme source de carbone, peut significativement améliorer les taux d’élimination des nitrates et du sélénium, tandis que les conditions géologiques de la couche alluviale favorisent davantage la réduction du sélénium. De plus, la composition des communautés microbiennes est étroitement liée à l’efficacité de la réduction du sélénium, certains groupes microbiens pouvant servir de biomarqueurs pour la réduction du sélénium.

Cette recherche fournit une base théorique et des orientations pratiques importantes pour la remédiation microbienne de la pollution par le sélénium dans les eaux souterraines près des centrales électriques au charbon. En optimisant le choix des sources de carbone et en exploitant les communautés microbiennes spécifiques à certaines unités géologiques, il est possible d’améliorer l’efficacité de l’élimination du sélénium et de réduire ses impacts sur l’environnement et la santé humaine.

Points forts de la recherche

1. Remédiation microbienne en environnement froid : Cette étude est la première à explorer la réduction microbienne du sélénium à une température de 10°C, fournissant des références importantes pour la remédiation des eaux souterraines dans les climats froids.
2. Impact des sources de carbone sur l’efficacité de la remédiation : La mélasse, comme source de carbone, a montré un avantage significatif dans l’élimination des nitrates et du sélénium, offrant des indications précieuses pour le choix des sources de carbone dans les projets de remédiation réels.
3. Rôle indicateur des communautés microbiennes : L’étude a révélé que certains groupes microbiens (comme Desulfosporosinus et Gracilibacter) sont étroitement liés à l’efficacité de la réduction du sélénium, ce qui pourrait en faire des biomarqueurs pour les futurs projets de remédiation.

Autres informations utiles

Les limites de cette étude incluent l’absence de prise en compte d’autres inhibiteurs potentiels dans les eaux souterraines (comme les ions métalliques) qui pourraient affecter la réduction du sélénium. Les recherches futures pourraient explorer l’impact de ces facteurs sur l’efficacité de la remédiation microbienne afin d’optimiser les stratégies de remédiation.