La bioremédiation en classe Teach article

Traduit par Camille Ducoin. Vered Yephlach-Wiskerman présente un projet pour étudier en classe le pouvoir de bioremédiation de la plante aquatique Azolla.

Quand les sols ou les milieux aquatiques sont contaminés, par exemple par des métaux lourds, des solvants ou du pétrole, la bioremédiation représente une possibilité importante pour leur nettoyage : il s’agit d’utiliser des microorganismes ou des plantes qui vont absorber les contaminants et les métaboliser en composés moins nocifs, ou bien les accumuler, ce qui permettra de les éliminer.

Ceci est communément appliqué pour le nettoyage des mines ou puîts de pétrole abandonnés. La phytoremédiation (du grec phyto = plante) emploie les dispositions naturelles des plantes à capter, dégrader ou retirer des produits chimiques toxiques et des polluants du sol, de la vase, des sédiments ou de l’eau souterraine.

L’Azolla est une de ces plantes : ce genre de fougères flottantes d’eau douce accumule les métaux lourds tels que le nickel, le cadmium et le mercure (Arora et al., 2006); sa biomasse se récolte aisément et sèche très vite (Wagner, 1997). Ces caractéristiques en font une candidate idéale pour les systèmes de bioremédiation (Cohen, 2004), bien qu’il soit toujours important de veiller aux conséquences possibles de l’introduction d’une nouvelle espèce dans un écosystème^w1, ^w2. L’Azolla vit en symbiose avec une cyanobactérie, Anabaena azollae, capable de fixer l’azote de l’atmosphère. Cette fougère est ainsi indépendante des autres sources extérieures d’azote, ce qui lui permet de doubler sa biomasse en deux à trois jours à température ambiante. C’est pour cette raison qu’elle est utilisée depuis des siècles comme fertilisant dans les rizières de Chine.

L’Azolla en cours de science

Cette plante est idéale pour les projets scolaires interdisciplinaires regroupant écologie, étude de l’environnement, biologie, chimie et biotechnologie. Au cours d’un tel projet, les élèves acquièrent des compétences essentielles pour le travail scientifique : formuler un problème et une hypothèse, planifier une expérience, présenter ses résultats et tirer des conclusions.

Pendant le cours, introduisez le sujet de la bioremédiation et faites rassembler par les élèves des informations sur l’Azolla^w1, ^w3, ^w4, ^w5, ^w6, ^w7, ^w8 (Arora & Saxena, 2005), par exemple, la morphologie des plantes aquatiques comparée à celle des plantes terrestres, l’importance de la symbiose, le cycle de l’azote, l’emploi de l’Azolla en agriculture (Pabby et al., 2004), et la capacité de l’Azolla à absorber les métaux lourds.

Aidez les élèves à formuler les questions et les hypothèses sur lesquelles ils voudraient baser leur recherche. Parmi les sujets possibles, l’on peut mesurer l’augmentation de la biomasse dans différentes conditions de croissance (par exemple le niveau de CO₂ le taux de fer dans l’eau, la quantité de lumière) ou l’effet de l’Azolla sur la qualité de l’eau.

Les élèves travaillent bien par groupes de deux ou trois, et chaque expérience devrait être répétée trois fois pour confirmation. Différentes équipes peuvent travailler sur différents aspects de la plante, ou sur le même sujet de façon à multiplier une même expérience. Lors de la dernière séance, les résultats peuvent être présentés et discutés en classe.

Le Tableau 1 peut aider les élèves à planifier leur expérience. Il est téléchargeable sur le site de Science in School^w8.

Ensuite, les élèves doivent reporter leurs résultats expérimentaux dans des tableaux et les représenter graphiquement, en choisissant le mode de représentation le plus approprié (par exemple, graphe ou histogramme).

Voici un exemple de projet adapté pour des lycéens (16-18 ans). Nous avons utilisé l’Azolla filiculoides, mais vous pouvez aussi bien choisir une des six autres espèces d’Azolla. On les trouve facilement dans les jardineries, chez les marchands d’aquariums, ou sur Internet.

L’effet de l’Azolla sur la qualité de l’eau

Hypothèse / sujet de recherche : l’Azolla va réduire la conductivité de l’eau en absorbant les ions métalliques disponibles. Quels autres effets aura-t-elle sur la qualité de l’eau ?

Afin de tester cette hypothèse et de répondre à la question, plusieurs paramètres indiquant la qualité de l’eau ont été étudiés pendant deux semaines. En plus de mesurer la conductivité, nous avons décidé d’étudier d’autres aspects de la qualité de l’eau faciles à tester avec un matériel abordable.

Les élèves doivent être familiarisés avec les bases de la physiologie des plantes ainsi que l’utilisation des instruments et méthodes.

1. Remplissez deux récipients de verre chacun avec 250 ml d’eau du robinet, puis placez-les sur le rebord d’une fenêtre.

   Pour des raisons de sécurité, nous n’utilisons pas d’eau contaminée, ce qui serait pourtant idéal pour démontrer les capacités de bioremédiation de la plante. Cependant, vous pouvez ajouter des métaux du laboratoire de votre établissement à l’échantillon d’eau du robinet, et utiliser ce mélange.

2. Mesurez vos paramètres dans les deux récipients.

3. Dans l’un des récipients, ajoutez environ 50 g d’Azolla (voire davantage si la plante est très mouillée). Le second récipient doit être laissé tel quel.

   Afin d’étendre l’investigation, une autre plante aquatique (qui n’absorbe pas les métaux lourds, comme la lentille d’eau Lemna spp.) peut être ajoutée à un troisième récipient.

4. Refaites les mesures tous les 1 ou 2 jours

   Une alternative consiste à prélever des échantillons chaque jour et à les congeler, puis les analyser tous à la fin.

Il ne faut pas ajouter d’eau ni la changer au cours de l’expérience.

Mesures

1. La conductivité se mesure à l’aide d’un conductimètre utilisé pour mesurer la concentration des électrolytes.

   Les ions métalliques étant absorbés par l’Azolla, la conductivité de l’eau devrait décroître au cours du temps.

2. Mesure de la concentration de plusieurs ions spécifiques. On peut faire cela en utilisant des bandes test du commerce. Nous avons testé la concentration en fer et en nitrate, car nous avions des kits appropriés.

   Le taux de fer devrait décroître au cours du temps, à mesure qu’il est absorbé par l’Azolla, car c’est un élément essentiel pour l’activité de la nitrogénase. Si la quantité de fer est insuffisante, les feuilles de l’Azolla deviennent jaunes et flétries.

   De par sa symbiose avec la cyanobactérie, l’Azolla peut vivre sans autre source d’azote que l’air, mais dans ce cas son taux de croissance s’affaiblit. Ainsi, on s’attend à une petite diminution du taux de nitrate dans l’eau.

3. Mesure du pH à l’aide d’un pH-mètre ou d’une bande test, pour obtenir une indication de la concentration de dioxyde de carbone (CO₂).

   La respiration cellulaire de la plante devrait faire augmenter la concentration de CO₂, et ainsi faire baisser le pH.

4. Mesure de la salinité (concentration des ions de chlore) à l’aide d’une bande test.

   Si la salinité décroît, il devrait se passer la même chose dans les deux récipients : ce serait dû à l’évaporation, car l’Azolla n’utilise pas les ions de chlore.

Comme mesure de contrôle, vous pouvez déterminer la densité bactérienne en mesurant la turbidité avec un spectromètre ou un turbidimètre, ou en mesurant la concentration d’unités formatrices de colonies (UFC) par la méthode de dilution, isolement, et comptage des colonies de bactéries sur une surface de gélose pour dénombrement. Différents taux de bactéries dans les échantillons d’eau initiaux peuvent influencer la qualité de l’eau et invalider les résultats, car les bactéries aussi peuvent prélever des nutriments et des métaux.