Inhibition par composés toxiques

Dans certaines circonstances, l’efficacité d’un système aux boues activées peut soudainement diminuer, et dans le pire cas, être nulle. Des composés toxiques présents dans l’influent sont normalement à l’origine de ce phénomène. Une fois dans le bioréacteur, ces substances inhibitrices ont un effet négatif sur l’activité biologique.

Exemples d’inhibition : toxicité due aux métaux lourds, empoisonnement par des composés organiques particuliers (phénols, détergents cationiques, antibiotiques, etc.), présence d’oxydants forts, etc.

Pour préserver un bon fonctionnement de la station, la présence de composés toxiques dans l’influent doit être limitée à un minimum absolu.

L’effet exact sur la biologie dépend, parmi d’autres facteurs, de la nature et de la concentration des composés inhibiteurs et des conditions environnementales (pH, potentiel redox, etc.).

L’effet de toxicité sur un procédé de traitement des eaux usées peut être divisé en 3 catégories :

• Inhibition de l’activité. La population microbiologique travaille encore, mais à un moins bon rendement qu’à l’habitude.
• Arrêt total de l’activité microbienne. Toutes les bactéries meurent, ou sont « capturées » dans un état végétatif statique, dans lequel ils sont métaboliquement inactifs. Dans certains cas, l’activité biologique peut reprendre une fois les composés toxiques sont supprimés du bioréacteur.
• La troisième catégorie est une forme de toxicité plus spécifique. L’activité générale n’est pas affectée, seule la dégradation d’une certaine sorte de substrat est inhibée. Ce problème est souvent rencontré dans des systèmes où des composés xénobiotiques sont dégradés par co-métabolisme.

Afin d’évaluer l’impact d’une inhibition sur un procédé de boues activées, il est important de connaître les mécanismes à l’origine de la toxicité des certaines substances. Les composés cellulaires et processus suivant sont sensibles aux effets toxiques :

• L’enveloppe cellulaire d’une bactérie peut être complètement détruite par les métaux lourds, phénols, détergents, ammonium quaternaire ou certains alcools. La perméabilité de l’enveloppe membranaire augmente et peut devenir mortelle pour la cellule elle-même.
• Le changement de structure de certaines protéines/enzymes, avec comme résultat une perte de fonction cellulaire. Ceci peut être causé par des halogènes, phénols et autres alcools.
• Interférence avec l’activité intracellulaire des enzymes peuvent ralentir voire stopper le métabolisme. Les composés toxiques produisant cet effet sont : la cyanite, les oxydants forts (chlore, hypochlorite, etc.), phénols, métaux et métalloïdes.
• Interférence avec la production d’acides nucléiques (= ADN et ARN) peuvent inhiber la reproduction bactérienne (= division cellulaire). Les métaux lourds génèrent ces effets toxiques.

Les conditions environnementales jouent un rôle très important sur l’impact que les substances toxiques ont, en particulier concernant les métaux lourds. Leur toxicité est déterminée par leur concentration, leur état d’oxydation, le pH environnant et les potentiel redox mis en jeu, le type de système empoisonné (aérobie ou anaérobie, nitrifiants, etc.) et le potentiel d’adaptation de la bactérie en question.

Les formes toxiques des métaux sont en fait leurs sels solubles (= ions) complexes anioniques. Les sels non dissous, les oxydes et éventuellement les métaux élémentaires sont rarement toxiques.

L’effet pH est double : d’abord les bactéries sont directement sensibles au pH. Evidemment, pour des valeurs pH trop hautes ou trop basses la toxicité est due au pH lui même. Le pH a aussi un effet indirect sur la toxicité des métaux. La solubilité des ions métallins dépend du pH : plus le pH est bas, plus les concentrations en métaux dissous dans l’eau sont importantes (= précipitation hydroxyde moindre), la toxicité étant alors plus grande.

Dans un système anaérobie, tout le souffre est présent sous forme de sulfite, alors qu’ils se trouvent sous forme de sulfates oxydés dans un système aérobie. Puisque la solubilité des sulfites métallins est plus petite que celle du sel sulfateux, la fraction de métaux lourds précipités sera plus importante dans un système anaérobie. C‘est pour cette raison qu’un trop important pourcentage de métaux lourds peut être dangereux pour le bon fonctionnement d’une station anaérobie. En général, un système anaérobie est néanmoins moins sensible à la toxicité due aux métaux (si S2- est assez présent et les concentrations en métaux pas trop élevées) qu’un système aérobie.

Les bactéries nitrifiantes ont la réputation d’être très sensibles à ce genre d’inhibition.

En dessous, une liste de composés inhibiteurs est dressée avec leur concentration toxique. Une étendue de concentration est donnée : la valeur la plus basse représente le seuil d’inhibition, la valeur la plus haute correspond à l’arrêt immédiat de l’activité biologique.

Remarque : la liste suivante n’est certainement pas complète, d’autres composés toxiques existant :

• Cuivre : 0,01 à 20 mg/L (très toxique)
• Zinc : 0,3 à 10 mg/L
• Cadmium : 0,1 à 20 mg/L
• Chrome : 25 mg/L
• Nickel : 25 mg/L
• Plomb : 900 mg/L
• Cobalt : 0,3 à 10 mg/L
• Mercure : 0,01 à 20 mg/L
• Méthanol : 90 mg/L
• Isopropanol : 55 mg/L
• Acétone : 75 mg/L
• Pentachlorophénol : 1 to 200 mg/L
• Cyanite : 10 to 150 mg/L
• Produits dérivés pétrole : 200 à 500 mg/L (transport O2 bloqué)
• Carbohydrates chlorés : 100 à 500-1000 mg/L