Douze bactéries récoltées dans différentes parties de la planète sont étudiées pour avoir une capacité qui coûte beaucoup de science et beaucoup de travail à l’homme : récupérer des terres rares. Ces minéraux sont rares pour leurs propriétés particulières, qui les rendent essentiels pour un large éventail de technologies de pointe. Ils sont aussi très pertinents dans la géopolitique actuelle, puisque la Chine et, dans une moindre mesure, les États-Unis forment un quasi-duopole de leur extraction. Il est donc urgent en Europe de les récupérer des produits et procédés dans lesquels ils sont impliqués. Et, pour cela, des scientifiques allemands ont identifié ces dizaines de micro-organismes, dont certains extrêmophiles, qui ont la rare capacité d’être attirés par les terres rares en les rejoignant.
Ignorées pendant près de deux siècles, les terres rares sont un groupe d’éléments acculés au tableau périodique. Ce sont des métaux, mais rares. En plus du scandium et de l’yttrium, il existe les 15 membres du groupe des lanthanides (comme le lanthane, le cérium ou le néodyme). Bien qu’ils ne soient pas abondants dans la nature (leur concentration dans la croûte terrestre est faible, allant de 0,5 à 67 parties par million), leur nom de rare vient en fait d’avoir une structure chimique particulière très similaire entre eux. De plus, ils n’apparaissent que sous forme d’oxydes. Une série de propriétés, telles que sa grande capacité conductrice et son magnétisme, l’ont rendu indispensable au cours des trois dernières décennies. Sans eux, la miniaturisation d’un nombre infini d’appareils n’aurait pas été possible, ni les batteries de téléphones portables, ni les véhicules électriques, ni les éoliennes ne seraient ce qu’ils sont.
Des données supplémentaires sont nécessaires pour comprendre l’intérêt que suscitent les terres rares chez les scientifiques, mais encore plus chez les chefs de grandes entreprises technologiques et les politiciens. Le fer était à la base de la révolution industrielle, mais il est comme l’eau, aussi vital que bon marché : un kilogramme coûte à peine 20 centimes. Or, un kilo d’oxyde de néodyme vaut environ 200 euros et la même quantité d’oxyde de terbium peut dépasser les 3 800 euros. En plus d’être chères, les terres rares semblent concentrées dans un certain nombre de pays. Selon les données de Service géologique des États-Unis, plus de la moitié des 280 000 tonnes arrachées à la Terre en 2021 ont été obtenues par la Chine. Un regard sur les réserves montre un avenir géopolitique encore plus inquiétant : sur les 120 millions de tonnes estimées, près de 40 % se trouvent sur le territoire chinois et 60 % se répartissent entre la Russie, le Vietnam et le Brésil. Sur le sol européen, bien que le chimiste suédois Carl Gustaf Mosander ait découvert les trois premiers éléments (lanthane, erbium et terbium) et qu’il existe un lanthanide qui porte le nom de l’Europe, l’europium, il n’y a pratiquement pas de terres rares.
La rareté de la production propre, qui contraste avec l’utilisation intensive de ces éléments par les Européens, oblige à les recycler, à les récupérer là où ils se trouvent pour les remettre dans le circuit. Mais, pour compliquer les choses, la récupération des métaux se faisait traditionnellement par des procédés chimiques énergivores et très polluants, comme l’utilisation d’acides. D’où l’intérêt de projets comme celui mené par un groupe de scientifiques de l’Université technique de Munich (Allemagne), qui ont tourné leur regard vers les cyanobactéries, un phylum de bactéries réalisant la photosynthèse.
« Les cyanobactéries ne se nourrissent pas de métaux. Ce qui est produit est une union de ceux-ci à la surface cellulaire de ceux-là »
Thomas Brück, directeur du centre Algaetec de l’université technique de Munich
Les bactéries sont déjà utilisées pour traiter les eaux usées et même les déversements d’hydrocarbures, mais si celles-ci se nourrissent ou obtiennent de l’énergie à partir de la matière présente dans le liquide, dans le cas des cyanobactéries et des terres rares, il existe une attraction inévitable. C’est ce qu’explique Thomas Brück, directeur du Centre Algaetec de l’université allemande et auteur principal des expériences. « Les cyanobactéries ne se nourrissent pas de métaux. Ce qui se produit est une union de ceux-ci à la surface cellulaire de ceux-là ». Ce n’est pas qu’ils digèrent le métal, c’est que les ions (atomes chargés négativement ou positivement d’un élément) se lient aux sucres présents dans la paroi cellulaire des bactéries. En ce sens, il s’agit d’une attraction chimique, passive et quasi automatique. « Si nous appliquons les bonnes conditions de réaction, la liaison peut être inversée. Par conséquent, ils peuvent être séparés de la biomasse et en modifiant les conditions de réaction (c’est-à-dire le pH), la biomasse pourrait être réutilisée pour attirer plus de métal présent dans la solution.”
C’était la théorie qu’ils voulaient tester. Bien que des expériences précédentes aient été faites, ils ont sélectionné une douzaine de cyanobactéries, la plupart extrêmophiles, pour voir combien de terres rares elles attiraient. La plupart de ces micro-organismes étaient inconnus de la science jusqu’à il y a quelques années, et certains ne sont pas encore entièrement classés. Certaines bactéries proviennent du désert namibien, l’un des plus secs au monde. D’autres doivent être recherchés dans des lacs salés riches en natron, comme le lac Tchad, également en Afrique, des torrents pollués en provenance des États-Unis ou des échantillons d’eau utilisés dans l’exploitation d’une mine suisse.
D’après les résultats de ses expériences, publiés dans la revue spécialisée Frontières en bioingénierie et biotechnologie, toutes les cyanobactéries ont montré une capacité plus ou moins grande à lier les métaux. Mais ils ont gardé les cinq meilleurs pour effectuer de nouveaux tests avec quatre des terres rares (lanthane, cérium, néodyme et terbium) dans un immense réservoir rempli d’eau de cette exploitation minière. Ils ont atteint des niveaux d’efficacité auxquels ils ne s’attendaient pas : par exemple, les cultures de Calothrix très court, récupérée d’un lac japonais il y a 50 ans, a séquestré entre 44,7 et 70,6 milligrammes de terres rares par gramme de biomasse. Un autre, trouvé dans le désert namibien et qui n’a pas encore de nom définitif, le Komarekella sp. 89.12 atteint un ratio allant jusqu’à 67 milligrammes par gramme. Le plus efficace, avec des taux d’absorption allant jusqu’à 91,5 mg par gramme, est celui qui n’a pas encore été classé Nostoc. sp.découvert dans les lichens d’une zone humide allemande dès ce siècle.
Le premier auteur des essais, Michael Paper, également de l’Université technique de Munich, considère qu’il s’agit de valeurs très élevées. La clé, comme il l’explique, serait que la charge négative des sucres présents à l’extérieur des bactéries attire les particules métalliques chargées positivement. Dans un e-mail, Paper indique qu’une fois liés, les bactéries et les métaux pourraient être séparés en modifiant les conditions dans lesquelles la réaction chimique s’est produite, en modifiant le pH du liquide, par exemple. « Après un processus de régénération, la biomasse pourrait théoriquement être réutilisée. En ce moment, nous testons sa stabilité à long terme pour déterminer combien de cycles d’absorption-régénération sont possibles sans détérioration significative des propriétés d’absorption du métal », détaille-t-il.
Bien que les cyanobactéries puissent être utilisées dans les eaux usées conventionnelles, il semble peu probable que le prométhium, le lutétium ou le gadolinium se déplacent dans les tuyaux et les égouts en quantités appréciables. Paper pense que l’application à l’échelle industrielle serait là où les terres rares sont traitées ou aboutissent : « On peut les trouver dans les eaux usées provenant de l’exploitation minière, du traitement des minéraux, du recyclage des déchets électroniques ou de la métallurgie. La médecine et l’agriculture contribuent également à la libération de terres rares.
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