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.

Azolla pinnata
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l’aimable autorisation de 澎湖小
雲雀; source: Flickr

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 écosystèmew1, 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

Azolla filiculoides
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l’aimable autorisation
d’eyeweed; source: Flickr

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.

Azolla filiculoides (à gauche)
et Azolla pinnata (à droite)

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d’eyeweed; source: Flickr

Pendant le cours, introduisez le sujet de la bioremédiation et faites rassembler par les élèves des informations sur l’Azollaw1, 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 Schoolw8.

  Description de l’expérience

Votre réponse

Tableau 1 : Planifiez votre expérience
1

Formulez votre hypothèse.

 
2

Sur quel aspect biologique se base votre hypothèse ?

 
3

Quelle variable voulez-vous mesurer durant votre expérience ? Comment se mesure-t-elle ? En quelle unité ?

 
4

Quels sont les paramètres que vous voulez faire varier pour étudier leur effet sur la variable de l’étape 3 ? Comment les ferez-vous varier ?

 
5

Quels sont les paramètres fixes de l’expériences, ceux qui ne changeront pas ?

 
6

Précisez les mesures de contrôle que vous pensez devoir inclure et expliquez leur importance.

 

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’extrémité du delta du
Mississippi, le 24 mai 2010,
après la marée noire du
Deepwater Horizon. Les
rubans et taches de pétrole
sont argentés, l’eau est en
bleu, et la végétation en
rouge

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Goddard Space Flight Center

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.
Eau polluée
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l’aimable autorisation de
Chesapeake Bay Program;
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  1. 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.

  2. 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.

Azolla pinnata
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l’aimable autorisation de 澎湖小
雲雀; source: Flickr
  1. 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.

  2. 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.

Attention

La cyanobactérie de l’Azolla produit une neutrotoxine, il ne faut donc pas manger cette plante. De plus, certaines espèces d’Azolla sont considérées comme des adventices (mauvaises herbes) et sont des espèces invasives dans beaucoup de pays : les plantes doivent donc être éliminées avec précaution après usage. Voir aussi la consigne sécurité générale de Science in School.

 

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References

  • Arora A, Saxena S (2005) Phosphorus requirements of Azolla microphylla. International Rice Research Notes 30(2): 25-26.
  • Arora A, Saxena S, Kumar Sharma D (2006) Tolerance and phytoaccumulation of chromium by three Azolla species. World Journal of Microbiology and Biotechnology 22(2): 97-100. doi: 10.1007/s11274-005-9000-9
  • Cohen MF, Yamasaki H, Mazzola M (2004) Bioremediation of soils by plant-microbe systems. International Journal of Green Energy 1(3): 301-312. doi: 10.1081/GE-200033610
  • Pabby A, Prasana R, Singh PK (2004) Biological significance of Azolla and its utilization in agriculture. Proceedings of the Indian National Science Academy B70(3): 299-333. www.new.dli.ernet.in/rawdataupload/upload/insa/INSA_1/2000c954-299.pdf or use the direct link: http://tinyurl.com/62wq6mp
  • Wagner GM (1997) Azolla: A review of its biology and utilization. The Botanical Review 63(1):1-26. doi: 10.1007/BF02857915

Web References

Resources

  • Le World Water Monitoring Day propose de nombreux documents en anglais et en espagnol sur la façon de mesurer différents paramètres liés à la qualité de l’eau, ainsi que des kits. Voir : www.worldwatermonitoringday.org
  • Pour davantage de ressources sur les tests de qualité de l’eau, voir le site Internet de Lifewater Canada : www.lifewater.ca/Section_16.htm
  • Un manuel scolaire sur les tests de qualité de l’eau peut être téléchargé sur le site du Massachusetts Water Resources Authority (www.mwra.state.ma.us) ou en utilisant le lien direct: http://tinyurl.com/6jerkan
  • Pour connaître un projet pédagogique sur les tests de qualité de l’eau dans l’environnement local, voir :

Author(s)

Vered Yephlach-Wiskerman enseigne la biologie au Lycée d’Omer, en Israël. Elle est coordinatrice du Programme d’Excellence, et donne des cours de biochimie et d’immunologie au département de sciences du Kaye Academic College of Education, un établissement de formation professionnelle pour enseignants à Beersheba.


Review

Maintenir l’environnement propre et non pollué, ainsi que contrôler sa qualité, sont des sujets d’importance majeure étudiés en cours de sciences. Les moyens naturels pour nettoyer l’environnement, tels que la bioremédiation par les plantes et les microbes, idéaux, sont étudiés depuis de nombreuses années. Cette article montre comment une plante aquatique commune, l’Azolla, peut être utilisée pour aborder ce principe en classe. Les activités proposées développent les aptitudes à la pensée scientifique, un point essentiel pour saisir ‘comment marche la science’. Une version simplifiée de cette activité pourrait convenir à des élèves plus jeunes.

Les expériences proposées sont en lien avec la chimie (tests sur les cations, les anions, titrages). Cette activité rejoint aussi la microbiologie et la biotechnologie, les élèves pouvant être amenés à s’initier aux méthodes de contrôle de la qualité microbiologique de l’eau. Une extension possible de cette activité serait de faire chercher aux élèves sur Internet comment les microbes peuvent être utilisés pour nettoyer les marées noires et comment les micro-organismes peuvent être sélectionnés ou génétiquement modifiés pour traiter un problème de contamination particulier.


Shelley Goodman, Royaume-Uni




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