Comment les micro-organismes dégradent les gouttelettes d’huile en milieu marin
Même si le sort du pétrole brut dans les écosystèmes aquatiques a largement été étudié au cours des dernières décennies, l’apparition et l’importance de nuages de gouttelettes sous-marines n’ont été découvertes qu’après l’accident de Deepwater Horizon en 2010. À l’heure actuelle, il n’existe pas de traitement in situ basé sur les caractéristiques des gouttelettes de pétrole dans les panaches sous-marins. Le projet OILY MICROCOSM financé par l’UE a abordé cette question en étudiant à l’échelle micro les mécanismes fondamentaux qui contrôlent la biodégradation des gouttelettes de pétrole brut par les microbes marins. «Ceci a été réalisé grâce à une combinaison créative de la microfluidique, de l’imagerie de pointe et de la modélisation informatique», explique le coordinateur du projet Nicolas Kalogerakis. Le membre de MSC, George Kapellos, a collaboré avec le Massachusetts Institute of Technology aux États-Unis (le laboratoire du professeur Patrick Doyle), en utilisant une boîte à outils de techniques de micro-fabrication, comprenant la lithographie et l’impression 3D pour développer de nouveaux dispositifs microfluidiques. Ces dispositifs ont permis aux scientifiques d’observer au microscope comment les gouttelettes de pétrole interagissent avec les microbes marins sur une période de plusieurs semaines.
Rôle des micro-organismes
Les partenaires du projet ont utilisé des méthodes d’imagerie avancées comme la fluorescence multi-sonde et la microscopie confocale pour examiner la morphologie des gouttelettes d’hydrocarbures enduites de biofilm et ont posé une nouvelle hypothèse concernant le mécanisme responsable de leur formation. «La gouttelette de pétrole enduite de biofilm se développe lorsque des microbes hautement actifs s’accumulent à proximité de l’interface pétrole-biofilm. Comme ils se multiplient et sécrètent des biopolymères, ils poussent la biomasse environnante vers l’extérieur», explique Nicolas Kalogerakis. Les scientifiques ont été témoins de ce phénomène pour la première fois lorsqu’une goutte de pétrole en régression a été consommée par les microbes dégradant les hydrocarbures. «Nous avons observé que dans certaines conditions, des microbes marins spécifiques sont capables de coloniser la surface des gouttelettes d’hydrocarbures et de former des biofilms ridées épais», ajoute-t-il. Les chercheurs ont découvert, à leur grande surprise, que les biofilms microbiens réussissaient même à encapsuler de grosses gouttelettes millimétriques, ce qui n’avait jamais été signalé, tant pour les systèmes naturels qu’artificiels. Maintenant, l’équipe de OILY MICROCOSM veut découvrir si ces énormes gouttelettes enrobées de biofilm apparaissent dans les eaux marines naturelles après un déversement de pétrole.
Réponses des modèles
Le projet a également mis au point un nouveau modèle mathématique pour prédire le taux de biodégradation et le temps de séjour des micro-gouttelettes de pétrole dans une colonne d’eau. Le modèle prend en compte les effets de la vitesse de dérive, la cinétique microbienne et la disponibilité de l’oxygène, des minéraux essentiels et des multiples composants du pétrole. «Nous avons découvert que la carence en oxygène ou en autres éléments nutritifs dérivés de l’eau, comme l’azote et le phosphore, limite la vitesse de biodégradation des gouttelettes en éloignant les microbes hautement actifs loin de la surface de pétrole», indique Nicolas Kalogerakis. De plus, le modèle mathématique fournit également un outil précieux pour la prise de décision. Par exemple, l’utilisation d’émulsifiants pour disperser les déversements de pétrole devrait être évitée dans les «zones mortes» ayant une très faible quantité d’oxygène disponible. OILY MICROCOSM a également ouvert la voie à une meilleure compréhension de la biodégradation des hydrocarbures au niveau d’une seule goutte. Le projet a également apporté une importante contribution à l’analyse des données à partir d’expériences à des pressions très élevées (> 250 bars) qui ressemblent à des rejets potentiels d’hydrocarbures en haute mer dans la Méditerranée orientale. Par conséquent, les travaux et les résultats du projet contribueront grandement à notre compréhension du processus de biodégradation du pétrole et stimuleront les futurs efforts de recherche, les technologies clés et les outils de prise de décision pour l’atténuation des effets néfastes des déversements de pétrole en mer. Cette recherche a été entreprise avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie.
Mots‑clés
OILY MICROCOSM, biodégradation, déversement de pétrole, pétrole brut, microbes marins, microfluidique, modèle mathématique, nuage de gouttelettes, biopolymère, micro-gouttelette