Microbes et déversements de pétrole

AU SUJET DE L'ASM

L'American Society for Microbiology (ASM), la plus grande et la plus ancienne organisation de sciences de la vie, appuie la série FAQ, un programme administré par l'American Academy of Microbiology (l'Académie). L'Académie est le groupe de leadership honorifique de l'ASM; elle a pour mission de reconnaître les scientifiques pour leur apport exceptionnel à la microbiologie et de mettre son expertise en microbiologie au service de la science et du public.

Les documents de la série FAQ présentent de l'information scientifique sur des thèmes importants dans lesquels les microbes jouent un rôle capital. Ces rapports se fondent sur les délibérations de membres de l'Académie et d'autres experts qui se regroupent pour élaborer en une journée une réponse claire aux questions fréquemment posées sur le thème abordé. L'Académie remercie de leur participation les scientifiques dont le nom figure ci-contre.

COMITÉ DIRECTEUR :

Ronald M. Atlas
University of Louisville

Darrell Jay Grimes
University of Southern Mississippi

Terry C. Hazen
Lawrence Berkeley Laboratory

Jim Spain
Georgia Institute of Technology

Joseph M. Suflita
University of Oklahoma

Ann Reid
American Academy of Microbiology

ANIMATEUR :

Stanley Maloy
San Diego State University

PARTICIPANTS :

Carl E. Cerniglia
FDA, National Center for Toxicological Research (NCTR)

Gary M. King
Louisiana State University

Nancy E. Kinner
University of New Hampshire

Joel E. Kostka
Florida State University

Kenneth Lee
Department of Fisheries and Oceans Canada

Frank Loeffler
University of Tennessee & Oak Ridge National Laboratory

Roger C. Prince
Exxon Mobil Biomedical Sciences Inc.

Patty Sobecky
University of Alabama

Robert J. Steffan
Shaw Environmental, Inc.

Andreas P. Teske
University of North Carolina

Benjamin Van Mooy
Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI)

Albert D. Venosa
U.S. Environmental Protection Agency

Lawrence P. Wackett
University of Minnesota

Calvin H. (Herb) Ward
Rice University

Lily Young
Rutgers University

Gerben J. Zylstra
Rutgers University

Photos: LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory)

Tous droits réservés © 2011 American Academy of Microbiology 1752 N Street, NW Washington, DC 20036 www.asm.org

1. Dans quel sens dit-on que les microbes peuvent décontaminer le site d'un déversement de pétrole?

Avant tout, définissons les termes microbe, pétrole et décontamination. Qu'est-ce qu'un microbe? Les microbes capables de décontaminer le site d'un déversement de pétrole sont essentiellement des bactéries et des champignons. Les bactéries peuvent décomposer le pétrole en dioxyde de carbone et en eau. Cependant, aucun organisme ne peut à lui seul dissoudre tous les composants du pétrole brut ou des carburants raffinés qui sont déversés dans l'environnement. Les dizaines de milliers de composés différents qui forment le pétrole ne sont biodégradables que par une communauté de micro-organismes agissant de concert. Certaines bactéries peuvent dégrader plusieurs hydrocarbures ou toute une classe d'hydrocarbures. L'action combinée de la communauté bactérienne peut arriver à dégrader presque tous les composants (voir l'encadré 1).

Qu'est-ce que le pétrole? Le pétrole brut que l'on trouve dans les gisements naturels provient principalement d'anciennes algues et de matières végétales. En d'autres mots, le pétrole est un produit naturel créé par des organismes qui, à une autre époque, ont utilisé la lumière solaire comme source d'énergie au moyen de la photosynthèse. Des algues enfouies profondément dans laTerre y ont été chauffées sous l'effet d'une pression très élevée pendant des millions d'années. On obtient alors du pétrole, dans lequel est stockée l'énergie produite par l'ancienne activité photosynthétique. Par conséquent, les composants du pétrole brut constituent une grande source d'énergie qui permet d'alimenter non seulement les moteurs à combustion interne, mais aussi les microbes. Il n'est pas surprenant que les microbes aient développé la capacité d'utiliser le pétrole comme source alimentaire, c'est-à-dire de métaboliser ou de biodégrader ses composés pour en tirer l'énergie qui devient la matière brute de leur croissance.

Le pétrole brut de la planète est en grande partie emprisonné dans des gisements souterrains, mais il fuit parfois vers la surface et ce, depuis des millions d'années. On estime qu'environ la moitié du pétrole qui s'infiltre aujourd'hui dans les océans du monde vient de ces suintements naturels, le reste découlant des activités humaines. Le pétrole s'engage dans les voies navigables lorsqu'une installation de forage explose en mer, qu'une canalisation se brise ou qu'un pétrolier s'échoue, mais aussi lorsqu'il est lessivé des routes et des stationnements, renversé dans une marina, rejeté par les moteurs hors-bord, relâché lors d'activités d'exploitation pétrolière en mer ou expulsé des ballasts d'eau des navires.

L'explosion de la plate-forme Deepwater Horizon et la fuite subséquente du puits Macondo dans le golfe du Mexique ont entraîné un déversement de pétrole brut léger formé d'une variété de composés présentant divers degrés de biodégradabilité (voir l'encadré 2). Le pétrole brut est différent d'une source à l'autre, se composant en proportions différentes d'hydrocarbures comme le méthane (gaz naturel), de matières légères semblables à l'essence et de matières lourdes qui ressemblent à l'asphalte. Les raffineries transforment le pétrole brut en produits allant de l'essence et du carburant d'avion jusqu'au mazout lourd qui alimente les moteurs des navires et à l'asphalte utilisé sur les toitures et les routes. Les microbes arrivent à dégrader jusqu'à 90 % de certains pétroles bruts légers, mais les molécules plus grandes et plus complexes (comme celles de l'asphalte étendu sur les routes) ne peuvent être biodégradées de manière significative. Lorsqu'un produit pétrolier raffiné est déversé, sa destinée est tributaire de sa composition. L'essence, le kérosène et le carburant diesel sont si volatils et si biodégradables qu'ils persistent rarement dans les milieux marins, bien qu'ils puissent y rester plus longtemps lorsqu'ils sont enfouis dans des sédiments, le sol, l'eau souterraine ou des marais, où la teneur en oxygène est très faible. Le mazout lourd, comme celui qu'a déversé le Prestige au large de l'Espagne en 2002, contient une forte proportion de composés lourds qui se biodégradent très lentement.

Il peut également s'avérer difficile d'expliquer le sens que nous donnons à la décontamination. Pour évaluer la réussite d'une décontamination, nous pourrions notamment déterminer que le pétrole ne peut être ni aperçu, ni senti, ni goûté.Toutefois, les sens de l'être humain sont relativement peu fiables. La toxicité constituerait une autre mesure valable, un déversement étant jugé décontaminé lorsque la teneur des composants n'est plus toxique pour les humains, les animaux et les plantes. D'autres mesures chimiques ou physiques de propreté sont établies par les organismes de réglementation. En vertu de la Oil Pollution Act, loi américaine sur la pollution pétrolière adoptée en 1990, lorsqu'il y a déversement de pétrole ou d'une matière dangereuse, les organismes d'intervention tels que l'Environmental Protection Agency (EPA) et la United States Coast Guard (USCG) sont tenus de coordonner les activités de décontamination dans le but d'éliminer ou de réduire les risques pour la santé humaine et l'environnement. Il est possible que les efforts de décontamination ne puissent entièrement restaurer les ressources naturelles touchées ou en rétablir l'usage public. Des études menées dans le cadre du programme Natural Resource Damage Assessment, un programme d'évaluation des dommages aux ressources naturelles, ont pour but de déterminer l'ampleur des dommages causés aux ressources, les meilleurs moyens de restaurer ces ressources, de même que le type et le nombre d'interventions requises. Comme la décontamination peut ellemême avoir des conséquences écologiques, on doit trouver le juste milieu entre ce type d'intervention et le désir de faire disparaître toute trace de contamination. C'est pourquoi on procède souvent à une analyse des bienfaits écologiques nets, une approche appliquée pour la première fois après le déversement de l'ExxonValdez dans le golfe du Prince William. La façon la plus rigoureuse de définir une bonne décontamination serait de pouvoir affirmer que le pétrole ne peut être détecté par aucun moyen et que le site du déversement a recouvré son état d'origine. À mesure que les technologies de détection se raffinent, cette définition rigoureuse de la propreté devient de plus en plus difficile – voire impossible – à concrétiser. Puisque de nombreux écosystèmes marins renferment naturellement une certaine quantité de pétrole brut provenant des eaux d'infiltration et que de nombreux autres doivent leur teneur en pétrole aux activités humaines, il n'est pas simple de déterminer à quel moment un écosystème a recouvré son état d'origine. Le site www.gulfspillrestoration.noaa.gov/ donne un bon aperçu des efforts de décontamination déployés dans le golfe du Mexique après l'explosion de la plate-forme Deepwater Horizon.

Les mécanismes biologiques ne sont pas les seuls facteurs de décontamination d'un déversement de pétrole. En effet, divers processus physiques et chimiques sont également à l'oeuvre, notamment l'évaporation, la dissolution, la dispersion et la photo-oxydation.

• L'ÉVAPORATION
  Les hydrocarbures volatils s'évaporent rapidement dans l'atmosphère lorsqu'ils atteignent la surface de l'eau. Dans des conditions expérimentales contrôlées, environ 50 % du pétrole brut léger typique s'évapore en 20 heures. Les caractéristiques du pétrole déversé et les conditions environnementales font une grande différence; ainsi, un pétrole léger déversé dans une mer calme s'évaporera beaucoup plus rapidement qu'un pétrole lourd brassé dans l'eau par de puissantes vagues. L'évaporation s'effectue aussi plus rapidement lorsque la température est plus élevée.
• LA DISSOLUTION
  Certains composants du pétrole brut se dissolvent dans l'eau. Ces composés présentent le plus grand risque de toxicité aiguë pour la vie marine, mais ils comptent également parmi les plus volatils et les plus facilement dégradables dans la plupart des conditions.Tous les composés toxiques ne s'évaporent pas. Certains d'entre eux, comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), se dissolvent difficilement dans l'eau; ils ont plutôt tendance à adhérer aux particules et, par conséquent, à demeurer dans l'eau ou dans les sédiments. Les HAP peuvent être décomposés par les microbes avec le temps. Toutefois, le processus est souvent assez lent pour permettre à ces hydrocarbures de s'accumuler dans certains invertébrés tels que les mollusques. Les poissons et autres vertébrés les métabolisent rapidement.

• LA DISPERSION
  La dispersion est un processus par lequel le pétrole est décomposé en fines gouttelettes, puis répandu dans l'eau. Le même processus physique est à l'oeuvre lorsque nous combinons de l'huile et du vinaigre pour faire une vinaigrette. Comme c'est le cas pour la vinaigrette, la stabilité de l'émulsion obtenue peut varier. La dispersion physique n'est possible qu'en présence d'une énergie de brassage adéquate, par exemple sous l'effet des vagues ou d'une voie d'eau à forte pression. Dans une eau turbulente, la dispersion peut empêcher le pétrole de remonter à la surface, où il pourrait s'évaporer. La dispersion peut aussi faire pénétrer le pétrole à flot dans la colonne d'eau pour ainsi l'empêcher de former une nappe de surface qui pourrait menacer les oiseaux et les mammifères. La dispersion a l'avantage de décomposer le pétrole en gouttelettes d'une superficie plus grande qui facilite la dégradation microbienne. Par contre, elle peut exposer certains habitants de l'écosystème au pétrole. La dispersion peut être améliorée en ajoutant des dispersants chimiques, dont il sera question plus loin.
• LA PHOTO-OXYDATION
  La lumière du soleil entre en réaction avec certains composés pétroliers, en particulier avec les HAP. Ce processus, connu sous le nom de « photolyse », est important parce qu'en scindant les structures du cycle aromatique, il augmente la disponibilité des composés auprès des microbes et permet une meilleure dégradation microbienne. Par ailleurs, on a démontré que les HAP photo-oxydés sont considérablement plus toxiques pour les organismes aquatiques.
  
  Les processus physiques que sont l'évaporation, la dissolution, la dispersion et la photo-oxydation s'amorcent dès que le pétrole est déversé ou qu'il atteint la surface. Une rapide intervention humaine (récupération ou brûlage) permet également d'enlever physiquement une partie du pétrole. Lorsqu'un déversement de pétrole menace d'atteindre de façon imminente le rivage ou tout autre milieu sensible, le retrait physique du pétrole (par récupération ou brûlage) peut revêtir une importance capitale dans l'atténuation des dommages. Toutefois, à l'exception de la combustion qui présente ses propres risques et limites, ces processus physiques ne détruisent pas le pétrole. Ils ne le décomposent pas en dioxyde de carbone et en eau. Seuls des organismes vivants ou une combustion à température élevée (le brûlage) peuvent y arriver.
  
  

2. D'où viennent les microbes qui « mangent » le pétrole? Sont-ils partout? Pouvons-nous compter sur eux et cesser de nous inquiéter des déversements de pétrole? Que fontils en l'absence de pétrole?

Les microbes qui tirent leur énergie du pétrole existent depuis des centaines de millions d'années – en fait, depuis aussi longtemps qu'ils ont à leur disposition cette substance riche en énergie. Partout où le pétrole est présent à l'état naturel (comme au fond du golfe du Mexique), la communauté de microbes qui se nourrissent collectivement des différents composés pétroliers est bien établie et diversifiée. Même dans les endroits où le niveau naturel de pétrole est faible, quelques microbes ayant la capacité de dégrader le pétrole semblent s'y trouver (voir l'encadré 3).

Lorsqu'un pétrole brut ou raffiné est déversé, les bactéries capables de dégrader les hydrocarbures prolifèrent rapidement. La décontamination microbienne peut être considérée selon « l'offre et la demande ». Les microbes de la communauté locale sont déjà adaptés à la teneur de fond en pétrole. Les populations microbiennes mettent un certain temps à s'accroître en réponse à l'afflux des nouvelles ressources. L'augmentation subite du niveau de pétrole causée par une fuite ou un déversement peut temporairement surpasser la capacité des microbes locaux qui savent dégrader le pétrole. Le pétrole y demeure aussi longtemps que la demande ne comble pas l'offre. Cependant, de concert avec les processus physiques et chimiques dont il a déjà été question, les microbes finissent un jour par « résoudre » le problème en consommant les composés pétroliers biodégradables.

L'aptitude à métaboliser le pétrole est donnée à de nombreux types de microbes, mais certains sont plus polyvalents que d'autres. Certains microbes préfèrent de loin les hydrocarbures pétroliers à d'autres sources d'énergie et proliféreront plus rapidement que d'autres au sein de la communauté souillée par un déversement de pétrole. D'autres bactéries peuvent faire appel à plusieurs sources alimentaires différentes, les composants du pétrole n'étant pour elles qu'une source de croissance parmi tant d'autres. Ces microbes savent activer le métabolisme nécessaire en présence d'hydrocarbures pétroliers « mangeables » pour alors se tourner vers cette nouvelle et abondante source alimentaire.

Nous pouvons compter sur les microbes pour dégrader le pétrole au fil du temps. Toutefois, le processus n'est peut-être pas assez rapide pour empêcher les dommages environnementaux.

Les microbes peuvent également accroître leur capacité de dégrader le pétrole. Pour ce faire, l'un des moyens les plus rapides qu'ils utilisent est appelé « transmission horizontale de gènes » (THG). LaTHG est un mécanisme par lequel les microbes peuvent échanger des gènes entre eux. Elle permet au microbe doté des gènes nécessaires à la production des enzymes qui dégradent le pétrole d'en transmettre une copie à d'autres microbes, même si ceux-ci étaient auparavant incapables de dégrader les composants pétroliers. Grâce à ce mécanisme, les microbes qui ne pouvaient jusque-là se nourrir de pétrole en acquièrent la capacité. La transmission de gènes peut accroître considérablement la capacité d'une communauté microbienne locale de décontaminer un déversement de pétrole. Bien que le processus soit bien établi, nous n'en connaissons pas la portée lorsqu'un déversement se produit.

Nous pouvons donc compter sur les microbes pour dégrader le pétrole au fil du temps.Toutefois, le processus n'est peut-être pas assez rapide pour empêcher les dommages environnementaux. Il est donc important de contenir ou de récupérer immédiatement le pétrole comme premier moyen de défense. Même si les microbes qui dégradent le pétrole sont partout, leur seule présence ne signifie pas que les conditions du milieu soient idéales pour la biodégradation du pétrole. Les conditions ambiantes de même que l'emplacement, la durée et la forme du déversement ont un effet important sur la rapidité avec laquelle s'effectuera la biodégradation.

3. Que faut-il aux microbes pour dégrader le pétrole? En combien de temps peuvent-ils le faire? Que produit la dégradation microbienne? Comment est-elle mesurée dans l'environnement?

Les microbes peuvent « manger » le pétrole parce qu'ils portent en eux les instructions génétiques qui permettent la production d'enzymes capables de le dégrader, mais à l'instar des plantes qui poussent plus vite avec le bon apport de lumière, d'eau et d'engrais, les microbes peuvent dégrader le pétrole beaucoup plus rapidement dans des conditions environnementales optimales. Certains facteurs sont importants, notamment :

• Nature physique du pétrole – Si le pétrole se présente en une seule grande nappe, les microbes disposent d'une surface moins étendue pour y accéder; la dégradation s'effectue alors plus lentement. De plus, si le pétrole est lourd et visqueux, ses composants biodégradables doivent d'abord se diffuser dans cette épaisse matrice jusqu'à l'interface qui sépare le pétrole et l'eau, où les microbes pourront atteindre les composants. Plus le pétrole est léger, plus sa diffusion est rapide et plus vite les composés biodégradables sont à la merci des microbes.
• Nature chimique du pétrole – La vitesse de biodégradation varie en fonction des hydrocarbures qui composent le pétrole déversé. Le pétrole renferme des milliers de composés différents; certains sont des sources alimentaires de prédilection et sont consommés très rapidement, tandis que d'autres se dégradent plus lentement ou ne se dégradent pas du tout. Dans un milieu marin tel que le golfe du Mexique, les hydrocarbures dont les atomes de carbone s'unissent en des chaînes non ramifiées peuvent se dégrader rapidement, c'est-à-dire en quelques jours ou en quelques semaines. Les hydrocarbures qui présentent plutôt une structure ramifiée – dont les atomes de carbone s'unissent en cycles multiples (hydrocarbures aromatiques polycycliques) – peuvent s'avérer beaucoup plus difficiles à dégrader et ainsi persister plus longtemps dans l'environnement. Les plus récalcitrantes fractions de pétrole brut sont les résines et les asphaltènes, qui peuvent persister pendant des millénaires.
• Disponibilité des nutriments – Comme tous les organismes vivants, les microbes ont de nombreux besoins alimentaires; ils se nourrissent notamment d'azote et de phosphate. Bien que présentes dans la nature, ces substances s'y trouvent parfois en quantités limitées. Quand la nourriture est disponible en grande quantité (après un déversement de pétrole, par exemple), les microbes ne peuvent dégrader les hydrocarbures qu'au rythme où les autres nutriments deviennent disponibles. Si l'azote et le phosphate ne sont présents qu'en très faible quantité, la biodégradation des composés pétroliers s'effectue lentement.
• Disponibilité de l'oxygène – Le processus enzymatique de dégradation du pétrole est habituellement plus rapide en présence d'oxygène.Théoriquement, lorsqu'il y a une quantité suffisante de pétrole et de nutriments, les populations microbiennes peuvent croître si rapidement qu'elles épuisent l'oxygène de l'eau avoisinant un déversement de pétrole. En pratique, l'oxygène ne s'est pas révélé aussi important que les nutriments comme facteur limitant la dégradation du pétrole dans l'océan, bien que la dégradation puisse être lente si le déversement se produit à un endroit où la teneur en oxygène est faible.
• Température de l'eau – En général, le pétrole se dégrade plus rapidement en eau chaude. Le problème n'est pas que les microbes ne peuvent vivre en eau froide (puisque beaucoup de microbes responsables de la dégradation du pétrole sont entièrement adaptés à la vie au froid), mais plutôt que le métabolisme du pétrole s'accomplit plus lentement dans les milieux plus chauds, pour la même raison que le lait se gâte plus lentement lorsqu'on le laisse au réfrigérateur plutôt que sur le comptoir de la cuisine. Toutefois, dans les milieux froids en permanence (p. ex., dans l'Arctique ou les profondeurs océaniques), les microbes qui aiment le froid se sont adaptés pour dégrader le pétrole aussi rapidement que le font dans leur habitat normal les microbes qui se sont adaptés à l'eau chaude. Les températures plus froides ont également des effets physiques sur la vitesse de dégradation. En effet, comme le pétrole s'évapore plus lentement au froid, il reste dans l'eau en plus grande quantité. Comme le pétrole est également plus visqueux en eau froide, il se répand et se disperse moins facilement, fournissant aux microbes une surface d'accès moins étendue.

Les microbes qui mangent le pétrole sont eux-mêmes mangés dans la chaîne alimentaire locale; le carbone et l'énergie issus du pétrole finissent donc par être distribués dans ce réseau.

• Pression – La plate-forme Deepwater Horizon a déversé son pétrole à plus de 1 500 mètres de profondeur, où la température est basse et la pression, élevée. Dans de telles conditions, on aurait pu s'attendre à ce que la dégradation s'effectue assez lentement.Toutefois, les premiers résultats indiquent que de nombreuses espèces de microbes capables de dégrader le pétrole se sont adaptées à la vie dans ces conditions extrêmes.
• Acidité (pH) et salinité – Dans la plupart des océans, le pH et la salinité ne varient pas assez pour faire une grande différence dans la vitesse de dégradation du pétrole. Certains milieux spécifiques (comme les sédiments des marais salés) présentent non seulement une salinité élevée, mais aussi de rapides fluctuations dans la salinité, l'oxygène et le pH – des caractéristiques qui ralentissent habituellement la dégradation du pétrole.
• Autres microbes – Les communautés naturelles de microbes sont diverses et comprennent de nombreux types de microbes qui oeuvrent à la fois en concurrence et en collaboration. On commence seulement à comprendre les interactions complexes qui caractérisent les communautés microbiennes naturelles et saines, mais l'interdépendance y est la norme. C'est entre autres ce qui explique la difficile implantation de microbes dans un déversement de pétrole pour accélérer sa dégradation, puisque les étrangers (c.-à-d. les microbes introduits artificiellement) ont de la difficulté à forcer la structure de la communauté en place et à faire concurrence aux espèces locales qui ont évolué ensemble depuis des millénaires dans un habitat particulier.

Devant toutes ces variables, il n'est pas surprenant que la vitesse de dégradation du pétrole varie énormément. Par exemple, on estime que les processus naturels, dont la biodégradation, ont réussi en dix ans à faire disparaître 99,4 % du pétrole brut déversé dans le golfe du Prince William de l'Alaska (selon la National Oceanic Atmospheric Administration), alors que le pétrole déversé dans le désert du Koweït devrait y rester pendant des siècles.

En dégradant les divers composés du pétrole, les microbes aérobies (qui utilisent de l'oxygène) produisent du dioxyde de carbone et de l'eau. Certains composés pétroliers ne sont que partiellement dégradés, et on ne connaît pas toujours leur nature. Certains composés intermédiaires peuvent être toxiques pour les organismes marins, bien qu'ils ne s'accumulent probablement pas en des quantités capables de nuire davantage que les composés d'origine du pétrole. Les microbes qui mangent le pétrole sont eux-mêmes mangés dans la chaîne alimentaire locale; le carbone et l'énergie issus du pétrole finissent donc par être distribués dans ce réseau.

De nombreux moyens permettent d'évaluer la décontamination d'un déversement de pétrole. L'objectif suprême des scientifiques ou des intervenants qui mesurent la biodégradation consiste à documenter la perte massique des hydrocarbures qu'ils peuvent attribuer à l'activité microbienne. Traditionnellement, de telles mesures se sont concentrées sur la disparition de composants pétroliers particuliers, sur l'apparition des produits de la biodégradation (comme le dioxyde de carbone) et sur la raréfaction de l'oxygène. Une réduction de la quantité de composants pétroliers particuliers ou une variation de leurs ratios peut démontrer l'action des processus de biodégradation. La raréfaction de l'oxygène et des nutriments est également un indice de biodégradation. Celle-ci est enfin mesurée au moyen d'analyses chimiques détaillées des composants pétroliers et d'évaluations des niveaux de toxicité et par la détection d'un accroissement des populations microbiennes qui dégradent le pétrole. En haute mer, il peut s'avérer particulièrement exigeant de quantifier la biodégradation; on utilise pour cela de multiples approches. On a récemment découvert de nouvelles stratégies pour évaluer la progression de la biodégradation, dont la modélisation computationnelle et les outils moléculaires qui permettent d'évaluer les changements survenus dans les communautés microbiennes.

Les scientifiques qui mesurent la vitesse de dégradation du pétrole veulent notamment savoir à quel rythme il est consommé et à quel moment il disparaîtra complètement. Bien entendu, ces deux questions sont liées, mais contrairement à la consommation d'essence d'une voiture, la dégradation microbienne ne se calcule pas de façon linéaire dans le temps. Ainsi, le fait que la moitié du pétrole disparaisse en une semaine ne signifie pas que tout le pétrole aura disparu en deux semaines. Généralement, la dégradation s'effectue plus lentement à mesure que la teneur en pétrole diminue, ce qui complique le calcul d'un certain point final. Elle ralentit également à mesure que les composants plus dégradables disparaissent, laissant derrière les composants plus récalcitrants.

4. Quel est l'effet des dispersants et des nutriments sur la biodégradation du pétrole? Quel sort réserve-t-on à ces additifs?

LES DISPERSANTS

Les dispersants respectent le même principe que les détergents à vaisselle : ils décomposent le pétrole en de fines gouttelettes qui se dispersent dans l'eau. Ils permettent aux nappes de surface de se mélanger à l'eau et réduisent ainsi le risque immédiat posé aux oiseaux marins et aux rivages. Lors du déversement de la plate-forme Deepwater Horizon, on a ajouté des dispersants près de la tête de puits endommagée dans le but de disperser le pétrole à sa source et d'empêcher une bonne partie de l'huile d'atteindre la surface, où de nombreux navires tentaient de colmater la fuite. Les dispersants eux-mêmes ne contribuent en rien à l'élimination du pétrole; ils ne font qu'en changer la forme physique. On choisit d'utiliser des dispersants parce qu'il est plus avantageux de changer la forme du pétrole que de risquer qu'il quitte la surface pour se retrouver dans la colonne d'eau. En général, les dispersants sont utilisés pour réduire le danger immédiat que le pétrole constitue pour la vie marine et les rivages. Ils peuvent eux-mêmes avoir des effets néfastes, mais ils sont ajoutés en concentrations plus faibles que la teneur en pétrole et sont moins toxiques que celui-ci.

En principe, les dispersants améliorent la biodégradation en agrandissant la surface à traiter et en mettant le pétrole à la disposition des microbes. Les études s'intéressant à l'effet des dispersants sur la vitesse de biodégradation sont difficiles à concevoir et à mener en raison de la grande variabilité des conditions (type de pétrole, environnement local et conditions météorologiques).

Étant donné leur structure chimique, les dispersants ajoutés aux déversements de pétrole devraient eux-mêmes être entièrement biodégradables, mais leur vitesse de biodégradation n'a pas fait l'objet d'études approfondies. De nombreuses espèces de bactéries produisent des composés qui oeuvrent tel un dispersant; ces composés sont maintenant produits commercialement et destinés à l'alimentation, aux cosmétiques, au traitement des récoltes et à la biorestauration. Appelés « biosurfactants », ces produits bactériologiques n'ont encore traité aucun déversement de pétrole, mais leur usage soulève à peu près les mêmes questions que celui des dispersants synthétisés par voie chimique : accélèrent-ils la biodégradation du pétrole? Les microbes qui se nourrissent des dispersants font-ils concurrence à ceux qui mangent le pétrole lorsque les nutriments sont moins abondants? La dégradation du pétrole s'en trouve-t-elle ralentie? En fin de compte, on doit déterminer si l'utilisation de dispersants présente un net avantage au-delà de leur effet physique immédiat, soit la dispersion et la dilution du pétrole. Dans le golfe du Mexique, les dispersants semblent avoir réduit considérablement la quantité de pétrole ayant atteint la côte, réduisant ainsi la menace qui planait au-dessus des plages et des marais salés. On ne connaît pas l'effet que peuvent avoir les dispersants sur la biodégradation des panaches en profondeur.

LES NUTRIMENTS

Les nutriments que sont l'azote, le phosphate et le fer sont essentiels à tout processus biologique; or, la nature en a dépourvu les pétroles bruts. De nombreux écosystèmes marins sont naturellement pauvres en nutriments. Ainsi, lorsqu'un déversement de pétrole entraîne une augmentation soudaine des aliments disponibles (les hydrocarbures du pétrole), il est possible que l'eau ne contienne pas assez de nutriments pour subvenir à la croissance des microbes. Pour atténuer cette limitation, on peut notamment ajouter des nutriments qui favoriseront la biorestauration. On a d'ailleurs employé différentes stratégies pour présenter ces nutriments sous une forme appropriée. L'un des meilleurs exemples à évoquer pour comprendre l'ajout de nutriments à grande échelle est celui du déversement de pétrole de l'ExxonValdez, pour lequel cette stratégie a effectivement amélioré la dégradation du pétrole dans les écosystèmes du golfe du PrinceWilliam. En théorie, l'ajout de nutriments pourrait avoir des conséquences involontaires pouvant nuire à l'équilibre naturel de l'écosystème, mais aucune de ces conséquences n'a été rapportée.

5. L'ajout de bactéries accélère-t-il la décontamination d'un déversement de pétrole ou améliore-t-il l'efficacité de la biodégradation? Est-il possible de concevoir des microbes qui travailleraient encore mieux?

En raison de l'omniprésence des bactéries capables de dégrader les composants pétroliers, on dispose à ce jour de très peu de preuves que la bioaugmentation (l'ajout de bactéries) améliore considérablement la vitesse ou l'étendue de la biodégradation du pétrole dans la plupart des milieux. En effet, la bioaugmentation n'a pas démontré qu'elle accélère l'atténuation des déversements de pétrole sur les rivages marins ou dans les milieux humides, les marais salés ou le sol.

Bien qu'il semble vain dans le cas des déversements de pétrole, l'ajout de microbes consommateurs de pétrole peut s'avérer utile dans les systèmes artificiels, par exemple dans un réservoir d'eau contaminée. Récemment, la bioaugmentation a aussi permis la biodégradation de produits chimiques organiques artificiels qui étaient entrés dans la biosphère. Les solvants chlorés et les fluides pour transformateurs (BPC) ne se retrouvent généralement pas en milieu naturel. Certains microbes savent dégrader les solvants chlorés, mais ils sont peu nombreux et croissent lentement. De plus, les communautés microbiennes qui sont parvenues à utiliser ces composés comme des sources de nourriture et d'énergie ne se trouvent pas partout. Utilisée dans un milieu approprié, la bioaugmentation de souches bactériennes compétentes peut stimuler la vitesse et l'étendue de la biodégradation de ces composés.

Il est possible de concevoir en laboratoire des microbes qui présentent une capacité accrue de dégradation du pétrole, mais de tels microbes risquent de ne pas avoir un effet important dans l'environnement. En effet, dès que le pétrole se déverse dans l'environnement, les microbes locaux commencent à coloniser les gouttelettes d'huile. Il faudrait que la souche de laboratoire sache supplanter les microbes indigènes, qui sont bien adaptés aux conditions locales. Créer un microbe qui soit à la fois plus efficace en matière de dégradation du pétrole et mieux adapté aux conditions environnementales propres au déversement s'avère un défi intimidant qui n'a pas encore été relevé.

Il est important de se rappeler que ce sont les communautés de microbes, non les individus, qui dégradent les divers composants du pétrole. Ce n'est pas le métabolisme du microbe (l'élément qui pourrait théoriquement être amélioré chez le microbe fabriqué) qui limite la vitesse de biodégradation. Même les probabilités d'accroître considérablement la capacité du microbe à métaboliser le pétrole ne sont pas élevées. La sélection naturelle agit sur les microbes depuis des milliards d'années, affinant jusqu'à un niveau très efficace les voies métaboliques qui permettent la dégradation des hydrocarbures. Collectivement, les communautés naturelles ont acquis de remarquables capacités qui leur permettent de tirer parti de chaque joule d'énergie qui peut être extraite des composants pétroliers.

Les microbes peuvent être sélectionnés ou fabriqués pour travailler dans un habitat donné où le pH, la température, la salinité ou d'autres conditions sont extrêmes. Il est possible de concevoir des microbes qui dégraderont mieux le pétrole, mais devant l'omniprésence des microbes qui savent le faire, la difficulté à prédire le moment et le lieu du prochain déversement de pétrole et, surtout, devant les questions de sécurité et d'acceptation publiques qui entourent la dissémination d'organismes génétiquement modifiés, la bio-ingénierie des déversements de pétrole n'est pas le domaine de recherche le plus prometteur.

6. Que devient le pétrole que lesmicrobes dégradent? Remonte-t-il la chaîne alimentaire comme le DDT? Qu'arrive-t-il aux animaux de la région pendant que lesmicrobesmangent le pétrole? Un déversement de pétrole augmente-t-il les risques de prolifération des agents pathogènes?

Le pétrole ne s'accumule pas plus dans un microbe que la vinaigrette dans l'estomac d'un être humain. Comme notre système digestif qui décompose la nourriture, le microbe décompose le pétrole en composés simples de carbone qu'il utilise pour fabriquer les sucres, les gras et les protéines dont il a besoin pour croître et produire de l'énergie et, finalement, pour produire du dioxyde de carbone et de l'eau, les sous-produits du processus. Les composés simples de carbone sont incorporés à de nouveaux composants cellulaires. Autrement dit, ils permettent de créer d'autres microbes! (Officiellement, on dit que le carbone a été utilisé pour produire une biomasse supplémentaire.) Les nouveaux microbes continuent de manger le pétrole, à moins d'être eux-mêmes mangés par un prédateur naturel. Ce qu'il est important de retenir, c'est que les hydrocarbures biodégradables ne s'accumulent pas sur ou dans les cellules et qu'ils ne remontent donc pas la chaîne alimentaire. Il est toutefois possible qu'un déversement de pétrole contienne quelques composants pétroliers récalcitrants que les microbes auront plus de mal à dégrader. Ces composés peuvent alors se concentrer par la chaîne alimentaire, mais le phénomène n'a été observé dans aucun écosystème aussi vaste que celui du golfe du Mexique.

Les animaux aquatiques quittent les environs d'un déversement (lorsqu'ils le peuvent). Certains composants du pétrole brut sont toxiques et d'autres irritent notamment les membranes des yeux et des narines; ils polluent l'eau et sont généralement évités par les animaux aquatiques vagiles. Les organismes qui ne peuvent nager à l'écart du déversement pourraient en être touchés si la dégradation microbienne du pétrole accaparait tout l'oxygène disponible. Par contre, rien ne prouve que dans un système ouvert comme l'océan, la raréfaction de l'oxygène attribuable à la dégradation du pétrole soit assez importante pour nuire à d'autres animaux du système.

Il est possible de calculer la quantité d'oxygène dont les microbes ont besoin pour décomposer le pétrole; or, ces calculs laissent croire que la plupart des déversements n'entraîneraient probablement pas une diminution dangereuse du niveau d'oxygène dissous. Ce dernier a d'ailleurs été l'une des variables d'importance surveillées pendant les interventions à la plate-forme Deepwater Horizon. Bien qu'une légère baisse du niveau d'oxygène dissous ait été observée dans la région où l'on a découvert le panache de pétrole (entre 1 000 et 1 300 mètres de profondeur), la teneur en oxygène ne s'est jamais approchée du niveau considéré dangereux pour la vie marine.

Dans certains écosystèmes relativement clos comme les estuaires, les marais salés et les milieux humides, la raréfaction de l'oxygène attribuable à la dégradation du pétrole suffirait à mettre en danger les organismes aérobies qui y vivent. La raréfaction de l'oxygène nuirait probablement davantage aux écosystèmes tels que le fond marin, un marais salé ou le sable de plage, puisque l'apport naturel en oxygène y est généralement restreint. La zone morte du golfe du Mexique, où se jette le Mississippi, en est un exemple notable : le faible niveau d'oxygène qu'on y observe n'est pas le fruit du déversement de pétrole, mais plutôt de l'afflux régulier de nutriments provenant du fleuve, lequel transporte les eaux de ruissellement des champs et des pelouses du Midwest américain, remplies d'engrais agricoles. Rien ne prouve qu'un seul déversement de pétrole en haute mer (aussi important soit-il) puisse créer des zones mortes permanentes, bien qu'il puisse temporairement réduire le niveau d'oxygène dans certaines régions.

Les microbes qui dégradent le pétrole ne provoquent généralement aucune maladie chez l'humain. Même ceux qui sont liés à des agents pathogènes connus chez l'humain ne causent aucune maladie (et leurs parents pathogènes ne peuvent dégrader le pétrole). Bien que leur nombre augmente considérablement après un déversement, les microbes qui dégradent le pétrole ne sont pas menaçants pour la santé humaine. En effet, on n'a trouvé aucune preuve que le stress imposé par un déversement de pétrole aux organismes tels que les huîtres et les crevettes amène ceux-ci à retenir davantage d'agents anthropopathogènes. Aucun cas de prolifération pathogénique n'a été documenté à la suite d'un déversement de pétrole, même si des milliers de déversements se produisent chaque année.

7. Que deviennent lesmicrobes lorsqu'il n'y a plus de pétrole? Le déversement entraîne-t-il lamutation permanente de la diversité d'espècesmicrobiennes vivant dans la région?

Les microbes qui dégradent le pétrole font partie de la chaîne alimentaire locale : ils sont mangés par d'autres microbes qui, à leur tour, sont mangés par de plus gros prédateurs. Lorsqu'il n'y a plus de pétrole et que la nourriture se fait plus rare, ces microbes cessent de se diviser aussi rapidement et leur population retrouve finalement la taille qu'elle présentait avant le déversement.

Il est toutefois difficile de déterminer si la composition des espèces est exactement ce qu'elle était avant un déversement car les communautés microbiennes sont des systèmes dynamiques. Déterminer avec exactitude la composition d'une communauté avant un déversement de pétrole est une tâche complexe car nous connaissons très peu la dynamique des populations naturelles, même en l'absence de perturbations évidentes. Pour compliquer encore plus les choses, plusieurs types de bactéries peuvent s'acquitter de fonctions similaires. La population relative de ces espèces redondantes peut changer après un déversement de pétrole, mais la fonctionnalité globale de la communauté demeure pratiquement la même. En raison de la stabilité fonctionnelle des communautés microbiennes, il est difficile (et peut-être inutile) de déterminer si la communauté est exactement la même qu'avant le déversement. Cependant, on n'a trouvé aucune preuve qu'une prolifération des microbes qui dégradent le pétrole puisse évincer les autres espèces de microbes et les conduire à l'extinction. Même au summum de leur activité de dégradation du pétrole, les microbes qui en sont responsables ne représentent qu'un faible pourcentage de la communauté microbienne.

Les méthodes moléculaires modernes proposent de nouvelles façons de mesurer la composition et la fonction des communautés microbiennes. Des technologies analytiques à haute capacité permettent de connaître la séquence génétique de toute une communauté (voir l'encadré 3). Il est également possible de mesurer les modifications que subit au fil du temps l'abondance de gènes producteurs d'enzymes capables de dégrader le pétrole. Le déversement qui s'est produit à la plate-forme Deepwater Horizon était l'un des premiers à bénéficier d'approches à haute capacité; on peut donc dire qu'il reste probablement beaucoup à apprendre sur ce qui se passe au niveau génétique dans la communauté microbienne locale pendant et après un tel déversement.