Biomimétisme et dépollution

Du dard de l’abeille pour collecter les débris spatiaux à la chimie des parois cellulaires pour désaliniser l’eau de mer, en passant par la reproduction de la nanostructure des poils d’araignées pour filtrer les eaux usées : le biomimétisme offre de nombreux exemples de solutions pertinentes face aux problématiques de pollution. Nous vous invitons à un tour d’horizon.


Biomimétisme et dépollution des plastiques et déchets

30 millions de tonnes de plastique sont déversées chaque année dans nos lacs, nos rivières et nos océans. C’est sans aucun doute la pollution dont nous sommes le plus familier car elle est visible. Cette pollution atteint à la fois les êtres vivants locaux (animaux ou végétation) mais aussi les populations humaines. La dépollution de nos déchets est donc primordiale. Grâce au biomimétisme, il est possible de développer des solutions innovantes et efficaces made by nature pour dépolluer l’environnement.


Biomimétisme et dépollution des déchets plastiques

Comme le montre la formation du “6e continent" dans le nord du Pacifique, les plastiques sont devenus un désastre écologique. Plus de 1 800 milliards de déchets plastiques polluent actuellement les océans. Ces plastiques mettent plusieurs centaines d’années à se décomposer, et sont continuellement ingérés par les animaux et même par les humains (cf article de Trustmyscience) ! La nature et le biomimétisme ont-ils des solutions pour que ces déchets soient récupérés ?

De nombreuses collectes de déchets plastiques dans les océans ou les ports existent. Mais ces collectes perturbent souvent l’environnement local, demandent beaucoup d’énergie et d’investissement, voire sont inefficaces. Une approche biomimétique a été développée récemment en s’inspirant des tortues de mer. Des robots-tortues ont été développés afin de détecter et de collecter des déchets dans les ports (projet Green Turtle, par l’ESTACA). Ce robot a la particularité de posséder des nageoires comme les tortues et d’avoir un système de détection efficace (grâce à un sonar) lui permettant d’être agile, de cibler les déchets et d’éviter les bateaux. Ce robot a également l’avantage de ne pas perturber la faune locale et de récupérer 50 litres de déchets (soit 1400 bouteilles en plastique) par trajet. Il est également très économe en énergie. Le biomimétisme permet donc de développer des technologies contre la pollution des déchets dans les ports, d’où proviennent la majorité des plastiques des océans. Ces déchets peuvent ensuite être recyclés, également grâce au biomimétisme !



Prototypage du robot collecteur de déchets Green Turtle (Crédits : ESTACA)

Biomimétisme et dépollution de l’espace

Dans une toute autre dimension, la pollution est également présente dans l’espace. En effet, les déchets spatiaux sont engendrés par des dégâts sur les satellites, par la décomposition de lanceurs ou navettes spatiales, ou simplement par l’abandon des satellites hors d’usage. Ce qui n’était pas un problème il y a quelques décennies le devient de plus en plus. Les débris spatiaux sont un fardeau pour la mise en place de nouveaux satellites et pour ceux déjà présents. Une simple pièce de quelques centimètres, lancée à plusieurs kilomètres par heure par sa rotation autour de la Terre, peut avoir des dégâts colossaux en chaîne sur les satellites… Il devient donc important de dépolluer l’espace. Bien qu’aucun être vivant n’habite dans l’espace, le biomimétisme y a son rôle à jouer !

Un harpon collecteur de déchets spatiaux inspiré du dard de l’abeille a ainsi été développé. Ce dard dispose d’une géométrie particulière en dents de scie facilitant le perçage et l’ancrage. Cette structure est une aubaine pour la récupération de débris spatiaux, souvent très difficiles d’accès ou à attraper. Un des problèmes actuels de la collecte de ces déchets est que la force nécessaire pour fixer les harpons est si grande qu’ils fracturent l’objet à l’impact en de multiples débris. Grâce à ce nouvel harpon, dont le perçage est facilité et moins coûteux en énergie, la force d’envoi peut être diminuée et le fractionnement évité tout en récupérant l’objet. Le biomimétisme a donc toute sa place où on ne l’attend pas, là où la vie n’est pas forcément présente, dès qu’il s’agit de vaincre la pollution.


Biomimétisme et dépollution de l’air

La pollution existe également dans l’air. La qualité de l’air est essentielle pour notre survie. De nombreuses pollutions de l’air existent : qu’il s’agisse de microparticules (cf Case Studies Bioxegy) ou de gaz à effet de serre pour ne citer qu’eux, la nature et les hommes se voient vite être en danger. La dépollution de l’air est donc aussi un enjeu majeur à traiter.


Biomimétisme et gestion des gaz à effet de serre

L’un des polluants les plus connus dans le monde est le CO2 (dioxyde de carbone). Ce gaz est la principale source du réchauffement climatique à cause de l’effet de serre qu’il engendre et de sa quantité gigantesque relâchée dans le monde par l’homme. Il est aujourd’hui essentiel de trouver des solutions pour l’absorber et limiter ce dérèglement extrêmement dangereux pour les humains et la biodiversité. Les végétaux sont une solution naturelle à l’absorption et la consommation de CO2, puisqu’ils respirent du CO2 et émettent du dioxygène (à l’inverse de l’homme, d’où l’importance immense de préserver la flore). Il paraît donc naturel de s’en inspirer pour consommer du CO2 et dépolluer l’atmosphère de ce gaz.

Une solution biomimétique idéale est de transformer le CO2 en une ressource utilisable pour l’homme. Ainsi, on consomme du CO2 tout en s’en servant pour faire autre chose (évitant ainsi l’utilisation d’autres ressources en quantité limitée ou également polluantes).

C’est le cas de l’utilisation d’enzymes pour transformer le CO2 en carburant. Le biomimétisme ne s’exprime pas traditionnellement ici, puisqu’au lieu de s’inspirer d’un mécanisme de la nature on utilise directement l’organisme enzymatique responsable pour développer une technologie chimique. Le CO2 peut depuis longtemps être converti chimiquement en biocarburant par une technique appelée électrolyse. Cette réaction chimique doit être catalysée, c’est-à-dire accélérée, pour pouvoir être développée à grande échelle. Or, les catalyseurs actuels sont insuffisants. C’est pourquoi les enzymes utilisées sont une solution pour catalyser efficacement cette réaction tout en la contrôlant. Grâce à cette combinaison d’enzymes, la production de carburant par CO2 a été multipliée par 18 par rapport aux autres méthodes ! Le bio-sourcing permet donc de dépolluer l’atmosphère tout en produisant du carburant.

Les applications du biomimétisme sont nombreuses pour dépolluer et transformer le CO2 en produits utilisables, comme des engrais, ou encore même en oxygène en s’inspirant directement de la photosynthèse des plantes.

La reproduction d’une feuille pour transformer le CO2 en O2 (Crédits : Silk Leaf)

Biomimétisme et absorption des autres polluants gazeux

Malheureusement, le CO2 n’est pas le seul gaz polluant ou dangereux dans l’atmosphère. Ce dernier n’est même dangereux “qu’à cause” de sa concentration grandissante et ses effets sur le réchauffement. D’autres gaz encore plus dangereux doivent être traités. C’est le cas notamment des particules fines, des composés organiques volatils (COV), des oxydes d’azote ou encore des métaux lourds. Le biomimétisme a encore un rôle à jouer dans l’absorption et le traitement de ces polluants gazeux

Le biomimétisme peut parfois directement se servir de la nature pour innover. C’est le cas de la dépollution avec la dégradation chimique de polluants par les organismes vivants : la bioremédiation. En particulier, l’exemple de biomimétisme suivant effectue de la bioremédiation microbienne. Des scientifiques ont développé un filtre biologique (biofiltre) transformant des polluants en biomasse, vapeur d’eau ou encore CO2 (polluant beaucoup moins dangereux à cette échelle). Le filtre est un matériau poreux contenant des micro-organismes. L’air traverse le filtre et ces derniers absorbent les polluants : ils effectuent une bio-dégradation. La matière organique des gaz polluants est ainsi transformée, selon leur biodégradabilité, en une forme organique (par exemple en compost) ainsi qu’en gaz beaucoup plus doux. Malgré la nécessité d’utiliser cette technologie à très grande échelle pour qu’elle soit efficace, elle détient de nombreux avantages. Un grand nombre de polluants peut être traité (par exemple dans les COV : les hydrocarbures aromatiques, les aldéhydes…) grâce à un moyen très peu coûteux, respectueux de l’environnement et qui valorise simplement des polluants sans création de nouveaux déchets. S’inspirer de la nature ou l’utiliser directement est rendu possible grâce à l’apport du biomimétisme dans ces technologies innovantes, responsables et compatibles avec les enjeux environnementaux.


Biomimétisme et dépollution de l’eau

Il existe plusieurs sources à la pollution de l'eau : elle peut venir des ménages (des égouts dans les villes ou villages), des activités agricoles ou des activités industrielles. L’activité humaine engendre le rejet de nombreux polluants dans les rivières et les océans, ce qui rend cette eau toxique et impropre à la consommation pour la faune, la flore et les populations locales. L’eau est une ressource finie sur Terre. Elle est malheureusement présente à plus de 97 % sous forme salée (non consommable pour êtres vivants terrestres). Le traitement des eaux et leur dépollution est un enjeu international puisque la pollution des eaux fait plus de 3 millions de morts dans le monde chaque année. Tout comme la dépollution de l’air, le biomimétisme peut s’inspirer ou utiliser la nature pour développer des solutions à ces problèmes.


Biomimétisme et dépollution des eaux usées

Un premier enjeu majeur est donc la dépollution des eaux usées. Qu’elles proviennent des villes, des champs ou des industries, elles sont un fardeau pour la nature. Il convient donc de trouver des solutions efficaces pour réduire au maximum notre impact sur la biodiversité. Ces polluants peuvent prendre la forme de macro-polluants (matières organiques, matières en suspension, azote, phosphore) ou de pollution plus toxique comme celle des métaux lourds et des solvants. Ces polluants peuvent engendrer une toxicité extrêmement dangereuse et un appauvrissement en oxygène dans les eaux, indispensable à la vie des animaux aquatiques et des bactéries.

Tout comme pour la dépollution des gaz, le biomimétisme peut ici aussi se servir des pouvoirs extraordinaires des enzymes pour les mettre à disposition de technologies innovantes et dépolluantes. La start-up française Biostart a ainsi développé un système biomimétique de dépollution des eaux usées grâce à des micro-billes enzymatiques. Le principe repose sur la cyclodextrine, enzyme très utilisée en pharmacie, produit de la dégradation de l’amidon de pommes de terre par certaines bactéries. Cette enzyme est contenue dans des micro-billes qui sont utilisées comme des filtres de stations d’épuration pour filtrer ce que les bactéries ont du mal à décomposer. La cyclodextrine est en effet un piège moléculaire : elle piège les molécules toxiques/polluantes par interaction électronique naturelle. Les billes contenant les polluants sont ensuite récupérées et traitées pour que les molécules toxiques piégées soient récupérées. Elles sont ainsi extraites des eaux usées. Ce procédé est très écologique. Il capture efficacement tous les métaux polluants, les perturbateurs endocriniens et les composés pharmaceutiques présents dans les eaux usées des stations d’épuration. Les micro-billes sont même réutilisables plusieurs fois.

Le développement de membranes bio-inspirées est également une approche très connue dans le biomimétisme pour développer des filtres efficaces et écologiques. Ici, un filtre à matériau fibreux léger et résistant a été conçu pour dépolluer l’eau en s’inspirant des pattes et des poils d’araignées. Les araignées disposent de pattes sur lesquelles des soies appelées pédipalpes leur permettent de se nettoyer les yeux en brossant les poussières et les particules présentes à leur surface. La forme de ces pédipalpes a inspiré des scientifiques qui ont tenté de les reproduire à échelle nanométrique (un million de fois plus petit qu’un millimètre !) pour créer un matériau absorbant très efficace. Plus précisément, le filtre est constitué de “poils” en nanotubes de carbone qui se lient très facilement aux polluants (grâce à leurs sites actifs) et d’une structure en graphène hydrophile (que l’eau peut traverser, qui peut se dissoudre dans l’eau). Ce filtre est donc léger, résistant, hautement efficace (proche de 100 % d’efficacité) et facile à manipuler. L’approche biomimétique est donc ici très pertinente pour la pollution des eaux.

Les pédipalpes de l’araignée : petites pattes touffues devant leurs yeux

Biomimétisme et la désalinisation de l’eau

Un autre enjeu dans la dépollution et le traitement des eaux est la désalinisation. Ici, l’objectif n’est pas de désintoxiquer l’eau de polluants comme précédemment mais plutôt de traiter l’eau de manière à la rendre consommable. L’accès à l’eau potable est un enjeu crucial dans les pays en développement. L’eau douce (pas nécessairement potable) est difficilement accessible et mal répartie. Il est donc envisageable (et important) de traiter l’eau des mers et des océans pour permettre à des populations en danger de survivre. Le biomimétisme a aussi des solutions ingénieuses à proposer concernant la désalinisation.

Des scientifiques français ont ainsi développé un système biomimétique pour dessaler l’eau de mer inspiré des parois cellulaires. Les cellules sont en effet une source pertinente pour la filtration ou le traitement des eaux puisqu’elles disposent de capacités et propriétés bien spéciales et uniques. C’est le cas notamment des molécules d’aquaporine, présentes sur les parois cellulaires, qui permettent de contrôler précisément l’entrée ou la sortie de molécules d’eau dans nos cellules (essentielles à leur fonctionnement). Cette “douane” permet de laisser passer uniquement de l’eau et d’empêcher des ions parasites de traverser la paroi cellulaire. C’est donc de ce principe spécifiquement que se sont inspirés ces scientifiques. Ils ont créé une sorte d’éponge (membrane) composée de polymères dans lesquels des canaux perméables à l’eau et imperméables aux ions ont été insérés. Les molécules d’eau sont guidées vers les canaux mais les ions sont retenus par la membrane. Or ce sont ces ions (notamment chlorure et sodium) qui donnent à l’eau ce caractère salé. Ce dispositif biomimétique possède de meilleurs résultats que les systèmes par membrane actuels, dont notamment une consommation d’énergie (problème majeur des centrales de désalinisation) plus faible de 15 %.


Biomimétisme et dépollution des sols

La dépollution des sols est très souvent liée à celle des eaux, puisque ces dernières ont tendance à s'infiltrer dans les sols, les polluant à leur tour et formant parfois des boues polluées. Les solutions trouvées par le biomimétisme pour la dépollution des sols peuvent parfois être appliquées à la dépollution des eaux et celle de l’air (et inversement). Les sols sont majoritairement dépollués naturellement par la végétation, aux pouvoirs de dépollution extraordinaire. Le biomimétisme y trouve sa place pour s’en inspirer et les exploiter.


Biomimétisme et traitement des métaux lourds

Les principaux polluants dans les sols, et les plus dangereux pour notre santé et l'environnement, sont les métaux lourds et les polluants radioactifs. Majoritairement relâchés par les activités industrielles, ils s'infiltrent dans les sols (généralement par les eaux) et polluent gravement la biodiversité locale. Or, la végétation a toujours trouvé une solution pour dépolluer son environnement. La solution biologique et biomimétique qui en découle est appelée la phytoremédiation. Il s’agit d’utiliser le métabolisme intelligent des arbres et des plantes pour collecter, transformer et dégrader des polluants (molécules organiques, métaux lourds, éléments radioactifs) principalement contenus dans les eaux et les sols environnants. Les stratégies de phytoremédiation sont nombreuses, ciblent différents polluants et sont toutes efficaces.

D’après le CEA , on peut distinguer :

  • la phytovolatilisation, qui consiste à transformer/dégrader certains polluants en particules volatiles beaucoup moins toxiques, relâchées dans l’atmosphère. Les polluants concernés sont les composés organiques et les métaux.

  • la phytostabilisation, consistant à absorber ou immobiliser (rhizofiltration) des polluants au niveau des racines pour éviter leur dispersion dans les sols ou dans l’air. Les polluants concernés sont les éléments radioactifs, comme l’uranium.

  • la phytoextraction, qui réalise une extraction des polluants des sols jusque dans les tiges et les feuilles, qui sont ensuite récupérées par l’homme, brûlées et traitées comme tout déchet dangereux (cf radioactivité). Les polluants concernés sont les éléments radioactifs et les métaux.

  • la phytodégradation, qui permet d’absorber et de décomposer des polluants par des enzymes, qui sont ensuite stockés dans la plante ou remis dans le sol. Les polluants concernés sont les composés organiques type pesticides ou hydrocarbures.

Ces méthodes biologiques et biomimétiques ont été imaginées, développées, et utilisées par de nombreux scientifiques, dont la chimiste et directrice de recherche au CNRS Claude Grison. Elle a été récompensée de nombreuses fois pour ses travaux sur l’environnement et ses recherches sur la phytoremédiation. Elle est aujourd’hui à l’initiative du projet Econick, qui vise à se servir du pouvoir des plantes pour extraire des métaux naturellement, et proposer des composés métalliques écoresponsables à plus grande échelle. Cette démarche est éthique, responsable, durable, écologique et en plein développement. Elle permet de valoriser des terres riches en métaux par une activité éco-responsable.

De la même manière, Bioinspir s’est servi du biomimétisme pour développer un traitement efficace des boues industriellement polluées. Les filtres développés se basent sur la phytoremédiation pour dépolluer les sols et les boues à la sortie des sites industriels polluants. Ce procédé est même applicable à la dépollution d’autres milieux, comme d’autres sols ou des eaux usées.

Les filtres à base des racines de plantes contre la pollution des boues (Crédits : BioInspir)

Biomimétisme et traitement des HAP et huiles minérales

D’autres polluants moins connus existent dans nos sols, mais qui ne sont pas moins toxiques et dangereux. C’est le cas notamment des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et des huiles minérales.

Une autre méthode biomimétique qui consiste à utiliser de nouveau les propriétés directes de micro-organismes ou d’êtres vivants s’appelle la mycoremédiation. Cette technique met à disposition le pouvoir filtrant des champignons pour dépolluer et régénérer les sols.

Novobiom est une entreprise qui a développé son activité sur ce principe. L’idée est d’utiliser des champignons capables de dégrader le bois, comme les pleurotes. De nombreux polluants ont une structure similaire à certaines molécules du bois et peuvent donc eux aussi être digérés par ces enzymes. Cela permet de polluer efficacement les sols contaminés par les HAP et les huiles minérales et de rétablir la teneur en matières organiques et l’équilibre biologique des sols. Cette solution, en plus d’être respectueuse de l’environnement et durable, permet aussi de d’être utilisée là où d’autres ne peuvent pas comme dans les traitements hors site (présence d’explosifs, de goudron…).


Les champignons : capteurs de polluants dans les sols (Crédits : Novobiom)

Conclusion

Le biomimétisme permet de développer des solutions innovantes et durables pour faire face à toutes les pollutions engendrées par l’activité humaine. La nature a su trouver des moyens de se défendre contre l’homme, et l’homme s’en sert pour défendre davantage la nature et se protéger à son tour des pollutions qu’il émet. Décidément, la nature n’a-t-elle pas réponse à tout ?


Pour aller plus loin, les sources utilisées pour la rédaction de cet article :