Purifier l’eau des métaux lourds en s’inspirant des plantes

Dans notre société industrielle, la raréfaction de l’eau et sa pollution par les métaux lourds comptent parmi les principaux défis à relever. En effet, les métaux comme le plomb (Pb), le cadmium (Cd), le nickel (Ni) et le mercure (Hg) sont connus pour leur persistance dans l’environnement et leur toxicité envers les humains et la vie aquatique. Malheureusement, les méthodes de remédiation conventionnelles (précipitation chimique, filtration par membrane, fixation…) restent peu efficaces, coûteuses en énergie et productrices de déchets chimiques. Pour améliorer la purification de l’eau, Cassandra Callmann et son équipe de recherche de l’université du Texas à Austin (États-Unis) se sont tournées vers les plantes, dont les parois cellulaires captent les métaux lourds délétères. Côté mise en pratique, la solution pourrait venir, pour les scientifiques, des carbohydrates biocompatibles, et de leurs bonnes propriétés d’adsorption…

Des métaux lourds capturés à un endroit et relargués à un autre

Cassandra Callmann et ses collègues ont synthétisé leurs polymères en usant de la polymérisation par ouverture de cycle par métathèse, présentée le 11 septembre 2024 dans le journal ACS Central Science. Cette réaction chimique voit la polymérisation de monomères cycliques en monomères acycliques résulter d’une métathèse des alcènes. Cette dernière réaction organique implique la scission de la liaison double carbone-carbone dans les alcènes (des hydrocarbures insaturés). L’avantage de ce procédé tient à sa très faible production de déchets dangereux. La mise en place de la métathèse a d’ailleurs valu aux chimistes Yves Chauvin (1930-2015), Robert Grubbs (1942-2021) et Richard Schrock l’obtention du Prix Nobel de chimie en 2005. Dans l’étude américaine, l’utilisation de la métathèse a permis la création de polymères portant des chaînes d’acide glucuronique amphiphile (avec une partie soluble dans l’eau, et une autre dans les graisses) capables de sélectionner et de capter les cations des métaux lourds dans un milieu mélangé.

Les tests de l’équipe de recherche ont d’abord porté sur des échantillons contenant de fortes concentrations de métaux lourds (> 550 ppb). Les polymères bio-inspirés ont rapidement formé un précipité filtrable lors de la capture des métaux. Une mesure par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif a montré la réduction de la concentration en cations à moins de 1,5 ppb en à peine trois minutes. Ensuite, les scientifiques ont testé leurs polymères sur de l’eau de la rivière Colorado prélevée à Austin, au Texas, et riche en Cd²⁺ et Pb²⁺. En seulement 24 heures, 20 % du Cd²⁺ et 45 % du Pb²⁺ avaient été piégés par l’invention américaine !

Enfin, l’atout supplémentaire de ces polymères réside dans leur processus de capture-et-relargage. L’acidification du milieu déclenche ainsi la proto-nation (l’ajout d’un proton à une molécule) des groupes glucuronates, ce qui a pour effet de relarguer les métaux lourds préalablement capturés et de resolubiliser les polymères.