Anammox

Oxydation anaérobie de l'ammonium

Bioréacteur contenant des bactéries anammox Kuenenia stuttgartiensis (Radboud University Nijmegen)

Lipides C17-C20 de type ladderane de bactéries anammox contenant donc trois anneaux cyclobutane concaténés avec un cycle cyclohexane ou cinq cyclobutanes consécutifs. les acides gras correspondants sont esterifiés avec du méthanol ou sur un squelette glycérol tandis que les alcools ladderaniques sont liés via une fonction éther au glycérol, tous dans différentes combinaisons.

Cycle biologique de l'azote
(DNRA : dissimilatory nitrate reduction to ammonium)

L’oxydation anaérobie de l’ammonium ou l’« anammox» est une voie métabolique microbienne importante du cycle de l'azote au cours de laquelle l’énergie chimique du nitrate NO₃⁻ et de l’ammonium NH₄⁺ est utilisée par certaines bactéries pour fixer le dioxyde de carbone. Ces bactéries qui réalisent ce processus ont été identifiées en 1999 et ont constitué à l'époque une surprise pour la communauté scientifique. Ce type de réactions se déroule dans de nombreux milieux naturels. Une méthode d'élimination de l'ammonium développée par l'université de technologie de Delft est également commercialisée sous le nom d'anammox.

Observation in vivo

Dans le processus biologique, le cation ammonium NH₄⁺ est oxydé par l'anion nitrite NO₂⁻ pour donner du diazote N₂. La réaction globale s'écrit :

NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2 H₂O.

Ce processus contribue à hauteur de 50 % du diazote produit dans l'océan^{[réf. nécessaire]}, consommant assez d'azote assimilable (ammonium et nitrite) pour limiter la production primaire des eaux^{[réf. nécessaire]}.

Les bactéries qui effectuent le processus d'anammox appartiennent au phylum bactérien des planctomycètes, dont les genres les mieux connus sont Planctomyces et Pirellula. Actuellement, cinq genres de bactéries anammox ont été (provisoirement) définis : Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus et Jettenia concernant les espèces d'eau douce, ainsi que Scalindua pour ce qui est des espèces marines.

Spécificités des bactéries anammox

Les bactéries anammox sont caractérisés par plusieurs propriétés remarquables.

• Elles possèdent toutes un anammoxosome, grand compartiment lié à la membrane à l'intérieur du cytoplasme, où se déroule le catabolisme anammox.
• En outre, les lipides constituant les membranes de ces bactéries contiennent une forte proportion d'acides gras de type ladderane, tels que l'acide pentacycloanammoxique, jusqu'à présent uniques en biologie.
• L'hydrazine N₂H₄ et l'hydroxylamine NH₂OH, toxiques pour la plupart des êtres vivants, sont chez elles des intermédiaires métaboliques du processus d'anammox.
• Enfin, une caractéristique frappante de ces bactéries est leur taux de croissance extrêmement lent, leur temps de doublement étant de près de deux semaines.

Températures de l'eau

Le processus d'anammox avait été initialement observé à des températures comprises entre 20 °C et 43 °C, mais des publications de 2009 ont rapporté des observations, dans des sources chaudes à des températures comprises entre 36 °C et 52 °C, et dans des sources hydrothermales situées le long de la dorsale médio-atlantique à des températures comprises entre 60 °C et 85 °C.

Application au traitement des eaux usées

Le procédé anammox intervient dans l'élimination de l'ammonium dans le traitement des eaux usées et se compose de deux processus distincts. La première étape est la nitrification partielle (nitrosation) de la moitié de l'ammonium en nitrite par des bactéries telles que Nitrosomonas :

4 NH₄⁺ + 3 O₂ → 2 NH₄⁺ + 2 NO₂⁻ + 4 H⁺ + 2 H₂O.

Des bactéries anammox peuvent alors convertir l'ammonium NH₄⁺ et le nitrite NO₂⁻ en diazote N₂ et environ 15 % de nitrate NO₃⁻ :

NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2 H₂O.

Les deux processus peuvent se dérouler dans un réacteur unique où les deux guildes de bactéries forment des granules compacts.

Le procédé Anammox représente une alternative prometteuse aux techniques conventionnelles d'élimination de l'azote mises en œuvre dans les stations d'épuration. C'est d'ailleurs pour cette raison que plusieurs brevets utilisant les propriétés du processus anammox ont déjà été déposés. À l'inverse de la flore microbienne présente dans les étapes de traitement biologique d'une STEP, les bactéries du genre Brocadia anammoxidans sont en mesure de se dispenser d'oxygène et même de consommer du dioxyde de carbone (gaz à effet de serre). La coûteuse aération des bassins peut donc être diminuée, réduisant ainsi les coûts de traitement et les émissions de CO₂ jusqu'à 88%. Le développement des nouveaux procédés se base sur les travaux de recherche accomplis dans les années 1990, portant sur l'activité microbiologique lors des processus de nitrification/dénitrification, et en particulier sur les mécanismes entravant la disponibilité de l'azote. Les travaux réalisés à Vienne (Nowak und Svardal, 1993; Nowak, 1996), Delft (van Niel et al., 1993; van Loosdrecht und Jetten, 1998) et Hanovre (Abeling, 1994; Hippen, 1999) méritent ici d'être cités. Ces découvertes trouvent leur application à Rotterdam depuis début 2006. En Allemagne, les procédés Anammox sont appliqués dès l'an 2000 dans différentes stations d'épuration, se limitant cependant toujours au traitement d'une partie des effluents (par exemple liqueur de boues). Jusqu'à présent, divers systèmes sont disponibles sur le marché pour cette application particulière. Dans les années à venir, la multiplication des expériences dans des installations grandeur nature permettra de démontrer dans quelle mesure les exigences technico-économiques du fonctionnement d'une STEP s'en trouvent desservies. L'application du procédé Anammox à l'ensemble des eaux pré-traitées ne fait l'objet à ce jour que d'une unique application en Autriche, au sein de la station d'épuration de Strass (Val de Ziller). L'intérêt réside ici également dans la réduction des besoins d'oxygénation et l'évitement des émissions de CO₂. Le défi à relever dans ce cas est de rassembler les conditions idéales à la croissance des bactéries anammox (comme par exemple, la températures des eaux traitées, l'âge des boues…).

Intérêt écologique

La nitrification/dénitrification (transformation par étapes de l'ammoniaque en nitrites puis en nitrates puis en azote atmosphérique par le biais de l'activité bactériologique en condition anoxique) a longtemps été considérée comme la seule source de libération de l'azote de l'air. La découverte de l'oxydation de l'ammonium par des bactéries anaérobiques a donc de larges conséquences sur la compréhension scientifique du cycle de l'azote. Le procédé anammox donne une nouvelle dimension au cycle de l'azote dans les océans.

Voir aussi

Articles connexes

• Azote
• Comammox (en)
• Cycle de l'azote

Bibliographie

• Cherh Yih Ma & al. (2019) The short- and long-term inhibitory effects of Fe (II) on anaerobic ammonium oxidizing (anammox) process ; Water Sci Technol wst2019188. | June 03 | https://doi.org/10.2166/wst.2019.188