La Société Française d’Ecologie (SFE) vous propose cette semaine le regard de Claude Grison, Professeur de Chimie à l’Université de Montpellier, sur la chimie verte inspirée par les plantes métallophiles.

MERCI DE PARTICIPER à ces regards et débats sur la biodiversité en postant vos commentaires et questions après cet article. Les auteurs vous répondront et une synthèse des contributions sera ajoutée après chaque article.
 

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Chimie et écologie : une synergie de solutions vertes prometteuses

par Claude Grison, Professeur de Chimie,
Directrice du Labo « Chimie bio inspirée et Innovations écologiques »,
STRATOZ-CNRS, Université de Montpellier 2

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Mots clés : Chimie, écologie, catalyse, plantes, métaux, ressources, épuisement, industrie, société, pollution, innovations,
méthodes et outils, phytoextraction, bioaccumulation, relation Homme-Nature, préservation de la biodiversité

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Le domaine de la Chimie est en pleine mutation. Les acteurs de la discipline mettent en place de nombreuses réglementations, plaçant la chimie durable comme une des filières vertes d’avenir. Au cours de l’année 2011, déclarée année internationale de la chimie, la communauté scientifique a démontré qu’elle possédait les outils et la volonté de contribuer à affronter efficacement les grands problèmes et questions liés aux changements de l’environnement, à l’épuisement des ressources et à la qualité de vie. Elle se propose notamment de contribuer efficacement à la réduction des déchets en développant des technologies vertes innovantes de réutilisation durable, réduction des quantités, remplacement et diversification des matières premières de la discipline.

Un épuisement annoncé des ressources minérales stratégiques

Un des piliers du concept de chimie verte est l’utilisation de systèmes catalytiques impliquant l’intervention de catalyseurs naturels – les enzymes – ou synthétiques. Un catalyseur de type non enzymatique est fréquemment un métal ou une terre rare *. [Petit rappel : Qu’il soit naturel ou synthétique, un catalyseur chimique permet, en faible concentration dans le milieu, d’augmenter la vitesse d’une réaction pour la rendre possible ou efficace.]

Les métaux tels que Rhodium, Palladium, Nickel, Zinc, Cuivre, Chrome, Manganèse et Cobalt sont des catalyseurs essentiels à de nombreuses transformations chimiques. Extraits d’affleurements rocheux riches en métaux (dits gisements miniers) par l’industrie minière, depuis plus de cent ans, leurs réserves dans la croûte terrestre sont limitées. Les domaines de la chimie organique industrielle, de la pétrochimie, de l’agrochimie, des polymères, des plastiques, des textiles, des colorants, des peintures, des cosmétiques et parfums, des dérivés pharmaceutiques et des médicaments sont tous concernés par l’abondance et l’extraction de ces ressources minérales.

En février 2010, le Pôle Interministériel de Prospective et d’Anticipation des Mutations Economiques a publié un rapport inquiétant sur la raréfaction des ressources non renouvelables au titre des réserves ou de la concentration de la production sur quelques pays. Les gisements de l’ensemble des métaux listés ci-dessus, parmi d’autres, s’épuisent et se raréfient. L’accès aux minéraux stratégiques est devenue crucial, non seulement parce que ces ressources s’épuisent, mais aussi parce qu’elles sont détenues par un faible nombre de pays, souvent politiquement instables.

Une grande partie des réserves minérales primaires et stratégiques sont présentes en Chine. L’Union européenne, et la France en particulier, doivent relever un défi majeur basé sur le développement de la compétence et l’innovation.

Pollution et toxicité des sites miniers

Fig. 1 : Le site des Avinières (St Laurent Le Minier, Gard), un ancien site minier devenu phytotoxique.
© Claude Grison

Dans les sites miniers de nombreux pays, la forte dégradation voire pollution des sols par l’extraction des éléments métalliques est par ailleurs un problème très préoccupant, car le sol exerce des fonctions essentielles qui déterminent en grande partie la production des produits alimentaires et la qualité de l’eau. De plus, les « éléments traces métalliques» (ou « ETM ») font partie des composés les plus nocifs et ne sont pas biodégradables.

Au-delà des conséquences environnementales, les risques sur la santé sont réels : les atteintes des systèmes nerveux, rénal, pulmonaire ou des tissus osseux sont clairement établies. Des exemples récents de plombémies préoccupantes et de premier stade de saturnisme ont été mis en évidence chez des enfants habitants à proximité d’anciens sites miniers français.

Les impacts spécifiques aux pollutions métalliques ne sont pas seulement d’ordre environnemental et médical ; ils affectent directement le développement économique et touristique des zones concernées.

L’excavation ou le confinement de zones contaminées ont été mises en place sur certains sites, mais ces techniques ne peuvent pas constituer des solutions satisfaisantes. Peu inspirées, mal acceptées, elles sont coûteuses et ne résolvent rien.

La phytoextraction, un phénomène naturel de recyclage des ressources minérales

Il y a quelques années, il a été découvert l’existence de plantes rares, capables de se développer sur des sols désertiques car chargés en ions métalliques et devenus de ce fait toxiques pour la plupart des végétaux (c-à-d. phytotoxiques) (cf. Grison et al, 2010). Confrontées à des sols riches en métaux, ces plantes ont développé progressivement des stratégies d’adaptation leur permettant de tolérer la pollution, voire même d’extraire les éléments métalliques et de les stocker dans leurs parties aériennes comme pour mieux s’en protéger (cf. le regard n°32 sur cette plateforme).

Les quantités d’éléments métalliques trouvées dans les systèmes foliaires peuvent atteindre des niveaux impressionnants, jusqu’à 7-8% en masse sèche. On parle alors de phytoextraction*. Il s’agit d’une méthode naturelle (« écotechnologie ») de dépollution partielle des sols et des sédiments, par accumulation des ETM dans les parties aériennes des végétaux hyperaccumulateurs. Des études récentes d’évaluation des performances adaptatives de ces végétaux ont mis en évidence la présence d’espèces hyperaccumulatrices de type légumineuses, renforçant l’intérêt de la phytoextraction dans les programmes de restauration écologique.

Des bactéries associées, elles-mêmes uniques et spécifiques de ces sites pollués, sont devenues capables de supporter ces conditions extrêmes. Elles se comportent comme de véritables usines chimiques en transformant l’azote présent dans l’air en engrais naturel afin d’aider les plantes à se développer. En échange, les plantes produisent par photosynthèse des nutriments carbonés aux bactéries, dans un sol appauvri. Malgré l’étude et la compréhension de ces systèmes naturels ingénieux, le développement de la phytoextraction sont restés limités par absence de valorisation de la biomasse contaminée. Elle a été considérée comme un déchet dangereux et sans intérêt.

Un programme de recherche récemment développé au CNRS s’inscrit totalement dans ce cadre en proposant le développement d’une nouvelle filière verte circulaire basée sur le recyclage de ressources minérales. L’objectif principal est de développer à l’échelle internationale un procédé innovant de valorisation chimique des technologies de phytoextraction destinées à remédier à l’accumulation des espèces métalliques dans les sols, consécutives aux exploitations minières intensives et aux activités industrielles métallurgiques.

Un procédé innovant de valorisation de la phytoextraction : la catalyse écologique

Récemment, l’équipe de recherche que je dirige au CNRS a mis au point un procédé innovant de valorisation de ces plantes extraordinaires (voir l’ensemble des références ci-dessous). Celles-ci sont à la base d’un nouveau domaine de la chimie verte, appelé catalyse écologique. Tirant parti de la capacité adaptative remarquable de ces végétaux à accumuler en grandes concentrations dans leurs tissus (« hyperaccumuler ») les cations tels que Zn2+, Ni2+, Mn2+ et/ou Cu2+…, la conception du programme repose sur l’utilisation directe des espèces métalliques d’origine végétale comme catalyseurs de réactions chimiques organiques.

Fig.2a : Anthyllis vulneraria, plante hyperaccumulatrice de zinc, dans une ampoule (© Claude Grison).

Fig.2b : Stockage de Zinc par Anthyllis vulneraria. Le Zinc est stocké sous forme ionisée (malate de Zinc, (C4H405)2- Zn2+) dans les vacuoles cellulaires des feuilles.

Le principe repose sur une approche mimant des catalyseurs naturels, les enzymes. Ils permettent d’accélérer des réactions infiniment lentes et sont régénérés après transformation des molécules organiques. Les catalyseurs produits à partir des plantes hyperaccumulatrices* sont capables de catalyser les réactions plus complexes. Ils sont constitués d’espèces chimiques originales et rares, que la métallurgie n’a jamais su produire.

Ces catalyseurs « biosourcés » montrent une réactivité tout à fait inhabituelle. Souvent plus efficaces que les catalyseurs classiques de la chimie, ils permettent la synthèse de molécules d’intérêt – anticancéreux, agents antiviraux, molécules actives contre la malaria, arômes naturels, cosmétiques, intermédiaires clés de l’industrie chimique… – dans des conditions douces et d’efficacité surprenante.

Bon nombre de ces molécules préparées sont présentes dans la nature. Le chimiste n’est pas à l’origine de leur activité biologique ; il se contente de la constater, d’essayer de la comprendre, de l’expliquer et de s’en inspirer. La synthèse de ces molécules permet en revanche de préserver les ressources naturelles.

 

Ecologie et chimie verte

La nature a donc trouvé des solutions pour s’adapter aux pollutions lourdes engendrées par les activités anthropiques : la phytoextraction. La découverte, la compréhension de ce système naturel est aujourd’hui à l’origine de vastes programmes d’ingénierie écologique (voir le Regard n°44 sur ce sujet, de Thierry Dutoit) que nous développons sur de nombreux sites miniers (France, Nouvelle-Calédonie, Chine, …). Il permet également de développer des solutions innovantes pour développer le recyclage des ressources minérales et constitue une solution concrète à l’épuisement des matières minérales non-renouvelables. Enfin, ces plantes permettent aujourd’hui de développer des catalyseurs chimiques aux performances inégalées.

Fig.3 : Phytoextraction, chimie verte et ingénierie écologique

 
L’ensemble du programme scientifique est réalisé en association étroite avec les acteurs locaux, issus des collectivités et des structures étatiques. Il est également l’objet d’actions de valorisation soutenues auprès de groupes industriels aux domaines d’applications complémentaires (Ecologie de la restauration, industries minière et chimique).

Ce travail de recherche interdisciplinaire est totalement bio-inspiré. A finalité appliquée et industrielle, il entend être un moteur de la reconstruction environnementale et socio-économique de sites meurtris par des activités industrielles et minières.

Les performances de la nature sont uniques : adaptables aux conditions extrêmes et génératrices de systèmes chimiques précieux. Celle-ci est une source d’inspiration multidisciplinaire, que le chercheur se doit de comprendre pour la restaurer et la valoriser durablement. La nature est dans ce cas précis le point de départ d’une nouvelle filière verte à économie circulaire* qui réconcilie l’écologie et la chimie.

 


Glossaire

Cation : Ion chargé positivement (exemples: Na+, Ca++, Fe++, Zn++). Les ions métalliques sont des cations.

Economie circulaire : Système économique dont les flux de production et de consommation suivent un cycle fermé.

ETM : Eléments traces métalliques. Métaux dissous en très faible concentration (ppm) dans le sol ou d’autres milieux.

Métallicole : se dit d’une plante qui se développe et se reproduit sur des sols riches en métaux.

Métallifère : se dit d’une roche ou d’un sol riche en métaux.

Métallophyte : espèce végétale qui vit spécifiquement sur des sols riches en éléments traces métalliques (ETM).

Phytoextraction : Méthode naturelle de dépollution partielle des sols et des sédiments, par accumulation des ETM dans les parties aériennes des végétaux hyperaccumulateurs.

Plante hyperaccumulatrice : Plante capable d’extraire du sol des éléments traces métalliques tels que les cations Zn2+, Ni2+, Mn2+ et de les accumuler en grandes concentrations dans ses tissus ou certains organes (feuilles, tige, racines…).

Terre rare : Groupe de métaux aux propriétés voisines, comprenant le Scandium 21Sc, le Lanthane 57Ln, le Lutécium 71Lu et une quinzaine d’autres métaux chimiquement similaires. Très électropositifs, on les trouve naturellement sous forme de cations trivalents (ex : Lu3+, Sc3+, Ln3+), formant avec des anions (ions négatifs) des complexes trivalents.


 

Bibliographie

GRISON C.M., J. ESCARRE, M.L. BERTHOMME, J. COUHET-GUICHOT, C. GRISON et F. HOSY, 2010. Thlaspi caerulescens, un indicateur de la pollution d’un sol ? Une réflexion partagée entre étudiants et chercheurs autour d’un problème environnemental. Actualité Chimique, 2010, 340, 27-32.

GRISON C., 2012.- Quand la dépollution devient productive… InfoChimie Magazine 2009, 496, 34-36 ; Prix «Technologies Innovantes pour l’Environnement» décerné par Pollutec – ADEME 2009

GRISON C., 2012. Métaux lourds et chimie verte, La Recherche, Avril 2012

GRISON C., 2012. Les Phytotechnologies appliquées aux sites et sols sollués, Guide opérationnel, Ed. ADEME, 2012, 38-40.

LOSFELD G., V.ESCANDE, T. MATHIEU et C. GRISON, 2011. Phytoextraction et biodégradation dynamisée : une approche interdisciplinaire inventive au service de l’environnement. Techniques de l’Ingénieur, 2011, IN 135, 1-8.

GRISON C., G. LOSFELD et V. ESCANDE, 2011. Les plantes métallicoles, tolérantes aux métaux lourds! In: Stratégies végétales : petits arrangements et grandes manoeuvres (Garrone B., Martin P., Schatz B. & Les Ecologistes de l’Euzière, Eds.), Editions Ecologistes de l’Euzière, Prades-le-Lez, 2011, 152-153.

GRISON C., et H. PETIT, 2011. Dépolluer avec les plantes, un procédé économiquement viable, Biofutur, 2011, 326, 54-55.
 

Et ces trois « regards » en ligne, sur la plateforme SFE :

Barot S. et F. Dubs, 2012. Mieux comprendre et utiliser la biodiversité des organismes du sol. Regards et débats sur la biodiversité, SFE, Regard n°28, 17 février 2012.

Dutoit T., 2013. L’ingénierie écologique, nouvel oxymore ou nouveau paradigme écologique ? Regards et débats sur la biodiversité, SFE, Regard n°44, 5 avril 2013.

Faucon M-P., 2012. Trésor minéral et diversité végétale. Regards et débats sur la biodiversité, SFE, Regard n°32, 23 mai 2012.


 
Article édité par Anne Teyssèdre.

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