Isolement de la bactérie dénitrifiante aérobie Stutzerimonas stutzeri et son application au traitement des eaux résiduaires de cokéfaction

Pourquoi le traitement des eaux d’usine est important

La sidérurgie et d’autres industries lourdes utilisent des fours spéciaux pour transformer le charbon en coke, un combustible qui alimente les hauts fourneaux. En cours de production, ces usines rejettent des eaux usées sombres et chargées en produits chimiques. Ces eaux contiennent des concentrations élevées de composés azotés et d’organismes organiques persistants qui peuvent provoquer des proliférations d’algues toxiques, empoisonner les poissons et contaminer l’eau potable. L’étude présentée ici examine comment une bactérie naturellement présente, isolée dans les eaux usées d’une cokéfaction, peut être exploitée comme outil vivant pour éliminer l’azote dangereux et la pollution organique de ce flux d’effluent difficile à traiter.

Un type d’eaux usées particulièrement difficile

Les eaux résiduaires de cokéfaction comptent parmi les effluents industriels les plus pollués. Elles renferment l’azote sous de nombreuses formes — nitrate, nitrite et ammonium — ainsi que des composés organiques complexes, dont certains sont cancérigènes. Lorsqu’elles sont rejetées sans traitement, ces formes d’azote alimentent la croissance explosive d’algues et de plantes aquatiques, entraînant des chutes d’oxygène qui asphyxient poissons et autres organismes. Chez l’humain, un excès de nitrate peut altérer le transport de l’oxygène chez les nourrissons et contribuer à la formation de composés liés au cancer. En raison de ce mélange de salinité, d’azote et d’organismes organiques toxiques, les eaux de cokéfaction sont plus difficiles à traiter que les eaux usées urbaines classiques et poussent les stations d’épuration conventionnelles à leurs limites.

Trouver un microbe utile dans les déchets mêmes

Les chercheurs ont prélevé de l’eau dans une zone faiblement oxygénée d’une usine de cokéfaction et ont cultivé les microbes présents dans des conditions favorisant ceux capables d’éliminer le nitrate. Après une série soignée d’étapes de dilution et de purification, ils ont isolé plusieurs souches bactériennes et utilisé le séquençage de l’ARNr 16S pour identifier la plus prometteuse. Cette souche, nommée Stutzerimonas stutzeri KA1, appartient à un groupe déjà connu pour convertir le nitrate en azote gazeux inoffensif. L’équipe a ensuite comparé la capacité des différentes souches à diminuer le nitrate dans un milieu de laboratoire contrôlé. KA1 s’est distinguée en réduisant rapidement les concentrations de nitrate dans des conditions tempérées et légèrement agitées, ce qui en fait une candidate de choix pour une utilisation industrielle.

Tester la résistance de cette bactérie

Pour évaluer les performances potentielles de KA1 dans des systèmes de traitement réels, les scientifiques ont modifié un facteur à la fois : le type de source de carbone, le rapport carbone/azote, le niveau d’oxygène dissous et l’acidité ou alcalinité (pH). Ils ont constaté que des sources de carbone simples et facilement digestibles donnaient les meilleurs résultats, l’acétate de sodium permettant à KA1 d’éliminer presque tout le nitrate en environ 40 heures. Un rapport carbone/azote intermédiaire offrait la vitesse d’élimination la plus rapide ; trop peu de carbone affamait les bactéries, tandis qu’un excès n’apportait pas d’amélioration supplémentaire. De façon surprenante, KA1 a continué à fonctionner sur une large plage de niveaux d’oxygène dissous — de l’absence totale d’oxygène jusqu’à des conditions pleinement aérées — ce qui suggère qu’elle peut poursuivre la dénitrification même lorsque de l’air est insufflé dans les bassins. Elle a également maintenu une élimination quasi complète du nitrate pour un pH de 6 à 10, une plage vaste qui couvre de nombreuses eaux usées réelles. Ces caractéristiques indiquent un microbe robuste, tolérant des conditions changeantes sans perte d’efficacité.

Du flacon au réacteur opérationnel

L’équipe est ensuite passée de petits flacons à des systèmes de traitement miniatures appelés réacteurs séquentiels par lots, qui reproduisent les cycles des usines réelles. Tous les réacteurs ont reçu des boues activées, le consortium microbien habituel en traitement, mais seuls deux ont été « bioaugmentés » par l’ajout de KA1. Au fil des cycles opérationnels, tous les réacteurs ont d’abord éliminé une partie du nitrate, montrant que les microbes indigènes étaient actifs. Cependant, avec le temps, le réacteur non augmenté a perdu en performance, tandis que les réacteurs enrichis en KA1 ont continué à s’améliorer et ont finalement atteint une élimination du nitrate nettement supérieure, même en conditions salines qui inhibent souvent d’autres bactéries. L’étude a aussi suivi la demande chimique en oxygène (DCO), une mesure globale de la pollution organique, et a montré que les systèmes traités par KA1 dégradaient ces matières organiques plus rapidement que les témoins, faisant chuter les niveaux de DCO vers zéro plus rapidement.

Ce que cela signifie pour une industrie plus propre

Pour un public non spécialiste, le message clé est que les chercheurs ont isolé et testé une bactérie de « nettoyage » robuste qui prospère dans l’eau très agressive qu’elle est destinée à traiter. Stutzerimonas stutzeri KA1 peut éliminer presque tout le nitrate sur une plage réaliste d’oxygène, de salinité et de pH tout en contribuant également à la réduction d’autres polluants organiques. Lorsqu’elle est ajoutée aux systèmes de traitement standard, elle améliore à la fois l’élimination de l’azote et de la DCO au‑delà de ce que la communauté microbienne existante peut faire seule. Parce qu’elle fonctionne efficacement et tolère des conditions difficiles, KA1 pourrait réduire les coûts et faciliter la conformité des aciéries et des unités de cokéfaction aux normes environnementales, allégeant ainsi le fardeau de la pollution azotée des eaux et aidant à protéger les rivières, lacs et zones côtières en aval.

Citation: Naseer, K., Ashfaq, K., Shamim, A. et al. Isolation of aerobic denitrifying bacteria Stutzerimonas stutzeri and its application in coking wastewater treatment. Sci Rep 16, 8717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43338-6

Mots-clés: eaux résiduaires de cokéfaction, dénitrification aérobie, Stutzerimonas stutzeri, bioaugmentation, élimination de l’azote