La pollution microplastique est devenue un contaminant environnemental omniprésent, infiltrant les écosystèmes aquatiques, le sol et même l'atmosphère.Les stations de traitement des eaux usées (WWTP) constituent à la fois une voie importante pour les microplastiques qui pénètrent dans l'environnement et un point d'intervention potentiel. Parmi les diverses technologies de traitement, les filtres à trémie – un système classique basé sur des biofilms – sont fortement axés sur des communautés microbiennes robustes et diverses pour dégrader les polluants organiques.

Sources et caractéristiques des microplastiques dans les eaux usées

Les microplastiques sont définis comme des particules plastiques de moins de 5 mm dans leur plus grande dimension. Ils pénètrent dans les eaux usées d'une vaste gamme de sources, y compris les fibres textiles synthétiques provenant de la lessive, les microbilles provenant de produits de soins personnels (maintenant interdits dans de nombreux pays mais encore présents dans les systèmes existants), les fragments de dégradation des emballages plastiques et les particules d'usure des pneus provenant du ruissellement routier. Un afflux typique de WWTP peut contenir des milliers de particules microplastiques par mètre cube.

La communauté microbienne des filtres à ridiculiser

Les filtres à tranquilliser sont constitués d'un lit fixe de milieux (roche, plastique ou laitier) sur lequel les eaux usées sont distribuées. Un biofilm complexe se développe à la surface du milieu, composé de bactéries, d'archéas, de champignons, de protozoaires et parfois de petits métazoaires. Le biofilm est stratifié, avec des couches aérobies près de la surface et des zones anoxiques ou anaérobies plus profondes à l'intérieur. Les principaux groupes fonctionnels comprennent les hétérotrophes qui oxydent le carbone organique (BOD), les nitrifiers (bactéries oxydantes par ammonium et bactéries oxydantes par nitrite) et les dénitrificateurs en couches plus profondes.

Mécanismes d'impact microplastique sur les communautés de biofilms

Interférence physique et architecture du biofilm

Les fibres, en particulier, peuvent s'enchevêtrer avec l'EPS, ce qui entraîne un engorgement et un labourage. La présence de particules dures et non dégradables peut également augmenter le stress de cisaillement, provoquant un détachement prématuré du biofilm, surtout lors de surtensions hydrauliques. Des études ont montré que l'accumulation de microplastiques peut réduire l'épaisseur du biofilm et la biomasse totale, diminuant ainsi la capacité métabolique globale du filtre.

Toxicité chimique et effets sur le lixiviat

De nombreuses particules microplastiques additifs chimiques de lixiviation qui sont toxiques pour les microorganismes. Phthalates et bisphénol A, par exemple, ont été montrés pour inhiber la croissance et l'activité des bactéries nitrifiantes, qui sont particulièrement sensibles aux contaminants environnementaux. De plus, les microplastiques sorbent et concentrent d'autres polluants des eaux usées, potentiellement en fournissant de fortes doses locales de métaux lourds ou de pesticides aux cellules biofilm.

Modification de la structure et de la fonction de la communauté microbienne

L'exposition aux microplastiques entraîne souvent une diminution de la diversité microbienne et un déplacement vers les taxons de formation ou de dégradation des biofilms.Par exemple, certaines études ont observé une augmentation de l'abondance relative des Pseudomonas[ et Bacillus[ espèces, connues pour produire des EPS et pouvant dégrader certains plastiques, au détriment des nitrifiers sensibles et des dégradeurs spécialisés.Cette restructuration fonctionnelle peut nuire aux processus de traitement clés tels que la nitrification et l'élimination des composés organiques récalcitrants.

Conséquences pour l'efficacité du traitement

Réduction de l'enlèvement des matières organiques

La perte d'activité hétérotrophe due à la perturbation des biofilms affecte directement l'élimination de la demande biochimique d'oxygène (DBO) et de la demande chimique d'oxygène (DCO). Des études pilotes ont signalé une réduction de 10 à 30 % de l'efficacité de l'élimination des DBO dans les filtres à trémie qui reçoivent des effluents contaminés par des microplastiques comparativement aux témoins, ce qui peut entraîner une augmentation des charges organiques des effluents, ce qui alourdit le fardeau des étapes de traitement subséquentes ou du plan d'eau récepteur.

Nitrification altérée et élimination de l'ammoniac

Les bactéries nitrifiantes sont à croissance lente et sensibles aux toxiques, ce qui en fait des cibles premières pour le stress associé aux microplastiques. Des taux de nitrification réduits ont été observés dans les réacteurs de biofilms à l'échelle du laboratoire et les filtres à trémie à grande échelle, les concentrations d'ammoniac dans les effluents augmentant de 40 % dans certains cas.

Augmentation des coûts de production et d'exploitation des boues

L'accumulation physique de microplastiques dans le lit filtrant peut contribuer à l'engorgement, augmentant la fréquence de lavage et la consommation d'énergie. La déstabilisation du biofilm entraîne également des événements de labour plus fréquents, entraînant une charge plus élevée de solides vers les clarificateurs secondaires. L'effet combiné est l'augmentation des coûts opérationnels pour l'entretien, l'énergie et la manipulation des boues.

Vecteur pour les agents pathogènes et la résistance aux antibiotiques

Les microplastiques peuvent servir de substrats pour la formation de biofilms par des bactéries pathogènes et servir de plate-forme pour le transfert horizontal de gènes, y compris les gènes de résistance aux antibiotiques, ce qui peut accroître le risque que les effluents transportent des organismes résistants aux antibiotiques, ce qui est une préoccupation croissante de santé publique que le traitement des eaux usées devrait atténuer.

Stratégies d'atténuation et de gestion

Contrôle des sources et prétraitement

La stratégie la plus efficace est de réduire les apports de microplastiques à la source.Les règlements interdisant les microbilles dans les produits de rinçage, favorisant les vêtements en fibres naturelles et améliorant la gestion des eaux pluviales pour les particules d'usure des pneus sont essentiels.Dans les WWTP, l'installation d'écrans fins (=1 mm) ou de systèmes de filtration dynamiques aux têtes peut éliminer une fraction importante de microplastiques plus importants avant qu'ils n'atteignent le traitement biologique.

Optimisation du fonctionnement du filtre à tranquillisation

Les opérateurs peuvent modifier les paramètres du filtre à trémie pour atténuer les impacts microplastiques. L'augmentation du taux de charge hydraulique peut aider à éliminer les particules accumulées, mais doit être équilibrée avec la rétention de biofilm. L'amélioration du prétraitement pour réduire la charge de solides peut réduire le piégeage des particules.

Bioaugmentation et gestion microbienne

La recherche explore l'utilisation de souches microbiennes dégradables en plastique pour filtrer la bioaugmentation, ce qui pourrait éventuellement décomposer les microplastiques en sous-produits moins nocifs. Cependant, cette approche est encore en phase initiale et soulève des questions sur la toxicité des sous-produits et les impacts écologiques.

Systèmes de surveillance et d'alerte rapide

La surveillance régulière des concentrations de microplastiques dans les effluents et les effluents, combinée à des indicateurs de santé biofilm (tels que la teneur en ATP, la réspirométrie ou le profilage métagénomique), peut aider les exploitants de centrales à détecter les problèmes rapidement.

Orientations futures et besoins en recherche

Malgré une prise de conscience croissante, d'importantes lacunes subsistent dans les connaissances. La plupart des études ont été menées en laboratoire avec des concentrations élevées de microplastiques qui ne reflètent peut-être pas les scénarios réels. Des études à long terme sur le terrain sur différents climats et compositions des eaux usées sont nécessaires. Le rôle des nanoplastiques (particules <1 μm) dans la performance des filtres de triage est presque entièrement inexploré.

Conclusion

La pollution microplastique représente une menace importante et sous-reconnue pour les processus biologiques qui sous-tendent le traitement des eaux usées dans les filtres à filtre. En perturbant physiquement les biofilms, en fournissant des produits chimiques toxiques et en modifiant la structure des communautés microbiennes, les microplastiques peuvent nuire à l'élimination de la DBO et de l'ammoniac, augmenter les coûts opérationnels et faciliter la propagation de la résistance aux antibiotiques.

Pour plus de détails, voir la recherche de l'EPA sur les microplastiques, une étude exhaustive sur les microplastiques dans le traitement des eaux usées et une étude sur la réponse du biofilm aux microplastiques.