LES PRINCIPALES FAMILLES DES HYDROCARBURES

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Les principales familles des hydrocarbures

Les hydrocarbures saturés parmi lesquels on distingue

Les alcanes linéaires (n-alcanes)

Leur longueur varie de 7 à 40 atomes de carbones, constituent une des classes les plus abondantes (10à 40 % des hydrocarbures totaux d’un brut pétrolier léger et peuvent atteindre dans certains cas 60 %) (Soltani, 2004).

Les alcanes ramifiés

Les plus abondants sont les iso-alcanes (groupement méthyles en position 2), les autres composés ramifiés antéiso (groupement méthyle en position 3) ou polyramifiés tels que les isoprénoїdes (exemples : pristane, phytane) sont beaucoup moins nombreux. Ces composés se trouvent dans le pétrole brut dans des proportions sensiblement égales à celles des n-alcanes.Le pétrole brut d’origine fossile ne contient en général pas d’alcènes (Figure 1) (Soltani, 2004).

Les cycloalcanes

Les cycloalcanes renferment des composés cycliques (à 5 ou 6 atomes de carbone) saturés et le plus souvent substitués. Quelques dérivés polycycliques sont aussi présents et certains d’entre eux tels les stéranes et les triteranes sont caractéristiques d’un pétrole brut. Cette famille peut représenter entre 30 et 50 % des hydrocarbures totaux d’un pétrole brut (Figure 1) (Soltani, 2004).

Les hydrocarbures aromatiques

Plusieurs familles d’hydrocarbures aromatiques et poly-aromatiques dont le nombre de noyaux varie de 2 à 6 sont présentes dans le pétrole brut. Ces composés sont dominés par des composés mono-, di- et tri- aromatiques (Figure 1) (Neff, 1979). En général, les hydrocarbures aromatiques sont moins abondants que les alcanes, et ne représentent que 10 à 30 % des hydrocarbures totaux d’un brut pétrolier (Bertrand et al., 1989). Les hydrocarbures aromatiques sont séparés en 02 groupes distincts:

 Les hydrocarbures mono-aromatiques ;

 Et les hydrocarbures aromatiques polycycliques

Les hydrocarbures mono-aromatiques

Les hydrocarbures mono-aromatiques forment une des grandes classes de composés aromatiques présents dans l’environnement avec les hydrocarbures chloro-aromatiques. (Vandecasteele, 2005).La production naturelle principale de composés mono-aromatiques provient de la dégradation de la lignine (Vandecasteele, 2005). Ces hydrocarbures mono-aromatiques peuvent aussi avoir une origine biosynthétique. C’est le cas par exemple, du p-cymène (ou p-isopropyltoluène), un composant des huiles essentielles. C’est aussi celui du styrène, présent dans divers produits naturels comme certains fruits, ou encore certaines plantes. Cependant, ce dernier est aussi un produit pétrochimique de gros tonnage et représente un polluant important (Phale et al., 2007). En fait, les quantités considérables d’hydrocarbures mono-aromatiques rencontrées dans l’environnement sont en grande majorité d’origine pétrolière, ou pétrochimique, et sont la conséquence des pollutions très nombreuses engendrées par l’activité humaine (Andreoni et al., 2007). Parmi ceux-ci, le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et les xylènes, désignés sous le sigle de BTEX. Les structures de certains hydrocarbures BTEX sont présentées dans la figure 2, sont particulièrement importants du fait de leur abondance dans les essences, et de leurs utilisations en pétrochimie (Phale et al., 2007). Les BTEX existent à l’état naturel dans le pétrole brut, le goudron et le charbon. Leurs sources d’émission dans l’environnement sont principalement d’origines industrielles et anthropiques. Ils sont utilisés massivement comme réactifs de synthèse et solvants dans divers secteurs industriels (Kelly et al., 2005). Ils servent d’additifs antidétonants dans l’essence pour améliorer l’indice d’octane (Forget, 1997). Ils entrent également dans la composition des peintures, caoutchouc, adhésifs et résines. Ces composés ont une solubilité dans l’eau importante, et une volatilité notable qui décroissent respectivement avec le nombre d’atomes de carbone (Andreoni et al., 2007). Leur solubilité élevée leur confère ainsi une mobilité importante, dans les eaux et les sols (transfert et migration dans les aquifères) et une accessibilité importante pour les microorganismes. Cependant, leur hydrophobicité provoque une forte toxicité pour la membrane cytoplasmique (ils vont ainsi modifier la structure de la membrane et diminuer son efficacité).Les hydrocarbures mono-aromatiques sont ainsi toxiques pour les cellules eucaryotes.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)

Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) sont des composés organiques hydrophobes issus de la combustion incomplète des matières carbonées. Ces molécules sont constituées, au sens strict, d’atomes de carbone et d’hydrogène. Leur arrangement en structure cyclique comporte au moins deux cycles aromatiques condensés de type benzène (Blumer, 1976; Cerniglia, 1992; Meinschein, 1961). Les HAP sont des polluants ubiquistes détectés dans tous les écosystèmes, des régions polaires aux tropiques (Blumer et al., 1975; Keith et al., 1979; Wilcke, 2007). Les activités anthropiques constituent la part la plus importante des émissions de HAP : processus de production et de dispersion de matières créosotées (chemins de fer), industries des hydrocarbures et associé(e)s (brai de goudron, asphalte et épandage de boues),déversements accidentels, trafic routier, effluents domestiques, dépôts atmosphériques (Björseth et al., 1979; Cerniglia, 1992; Denier van der Gon et al., 2007; Edwards, 1983;Johnsen et al., 2007; Kim et al., 2003; Shuttleworth et al., 1995; Whitacre et al.,2008). Les HAP sont classés en deux catégories : les « légers » à faible poids moléculaire, 2 à 3 cycles aromatiques, et les « lourds », à 4 cycles et plus (Cerniglia, 1992). Seize d’entre eux ont été jugés comme prioritaires à éliminer des sols dès les années 70 (Keith et al., 1979). Les structures des 16 HAP non substitués retenus comme polluants prioritaires par l’American Environmental Protection Agency (EPA) sont présentés dans la figure 3.

Les composés polaires (les composés N, S, O)

Ce sont, en général, des constituants mineurs d’un pétrole brut (Lefebvre, 1978), à l’exception des pétroles très lourds ; les dérivés soufrés sont dans la plupart des cas plus abondants que les composés oxygénés ou azotés (Bertrand et al., 1989) ;

– Composés azotés : pyridines, quinoléines,….

– Composés soufrés : mercaptans, sulfures, disulfures,…

– Composés oxygénés : phénols, acides carboxyliques, alcools, aldéhydes,…. (Figure1) (Soltani, 2004)

Les asphaltènes et les résines

Les asphaltènes et les résines sont des composés lourds et fonctionnalisés (composés non-hydrocarbonés), de structure chimique complexe à base de cycles aromatiques condensés, de naphténo aromatiques, de ramifications et d’hétéroatomes (Boukir et al., 1998); constituent une faible partie du pétrole brut, 1 à 5 % du pétrole léger alors qu’un pétrole lourd peut contenir plus de 25 % d’asphaltènes et 20 % de résines (Fig.1) (Soltani, 2004). Enfin, des métaux sont présents dans les pétroles bruts à l’état de traces. Le vanadium, le nickel sont généralement les plus abondants mais du fer, du cuivre et de l’uranium ont également été détectés (Bertrand et al., 1989; Escobar et al., 2012; Lefebvre, 1978).

Origine des hydrocarbures pétroliers dans l’environnement marin

L’eau, compte tenu de ses propriétés physico-chimiques, est trop souvent utilisée comme un vecteur d’évacuation de déchets (Emilian Koller, 2004). Les eaux douces et océaniques sont devenues le réceptacle de pollutions multiples chimiques, organiques, radioactives, microbiologiques d’origines variées : urbaine, industrielle, agricole (Emilian Koller, 2004).

Les hydrocarbures sont très répandus dans les milieux marins. Chaque année, des millions de tonnes d’hydrocarbures entrent les milieux marins, principalement à partir de sources anthropiques, mais aussi à partir de sources naturelles comme les plantes, les algues et les bactéries. La pollution marine par le pétrole brut provient des accidents de pétroliers, des opérations de déballastage, de lavage des citernes, de l’infiltration naturelle. (Samiullah, 1985) et des rejets volontaires de raffineries (Sauret, 2011), ainsi que l’huile de cale usagée qui s’accumule en petites quantités à l’intérieur des parties inférieures du navire. La décharge illégale de l’huile de cale dans la mer représente environ 10 % du total des huiles qui entrent dans la pollution de la mer. Nievas et al., 2006 soulignent que les eaux d’huile de cale sont toxiques dans la nature et ils sont préoccupants en raison de leur longue persistance dans l’environnement.

Origine anthropique

Les suintements naturels (sources géochimiques)

Selon Pelmont, 2005 il existe des suintements naturels de produits pétroliers à partir des sédiments marins. La dispersion annuelle des hydrocarbures sur toute la surface des océans se chiffrerait par milliers de tonnes, les mers ont depuis fort longtemps l’habitude de cette pollution discrète. Ponctuellement ou chroniquement, ces gisements présentent des résurgences (cas du golfe du Mexique -USA et du golfe de San Jorge – Argentine) qui libèrent du pétrole dans les milieux marins sus-jacents. Néanmoins d’après Sauret, (2011) là où un écoulement naturel n’a que peu de conséquences sur l’écosystème marin car il est généralement adapté à cet apport continu.

Les accidents pétroliers

Les aspects les plus évidents sont les grandes catastrophes très médiatisées comme les marrées noires qui provoque une forte mortalité de la faune aquatique, bords de mers englués sans oublier les conséquences économiques engendrées pour les riverains vivant de la pêche ou du tourisme (Soltani, 2004), les pollutions les plus redoutables émanent des fiouls lourds, formant des goudrons et des gommes récalcitrants comme lors du naufrage de l’Erika, le 11 Décembre 1999 au sud du Finistère, ou encore celui du Prestige au large des côtes espagnoles survenu le 13 Novembre 2002 qui a été particulièrement catastrophique suite à la rupture d’un pétrolier en charge (77 000 t de fioul lourd) au large de la Galice : le plus grand déversement de fioul lourd (estimé à 64 000 t) en venant souiller plus de 3000 km de littoral (Albakjaji, 2011). Les composants les plus légers ont en effet une meilleure tendance à s’évaporer dans l’atmosphère. Les accidents maritimes ne sont pas les seuls responsables de la souillure des mers car ils interviennent pour moins de 10% de la pollution par le pétrole, mais leur gravité vient du caractère massif des épandages et des effets dommageables spectaculaires sur l’environnement (Pelmont, 2005).

Le déballastage (Slops)

Il s’agit d’une pollution produite essentiellement par les pétroliers, elle est composée de l’eau de mer mélangé à du pétrole, et provient des cuves de transport. Une fois sa cargaison déchargée, un pétrolier doit ballaster c’est-à-dire remplir d’eau de mer ses cuves pour assurer la stabilité du navire lorsqu’il fait route. Le ballast représente en volume environ 1/5 du navire. Lorsqu’il se prépare de nouveau à charger, le pétrolier doit donc vider ses cuves de l’eau de mer qu’elles contiennent. Cette opération de déballastage théoriquement réalisée dans les installations portuaires prévues à cet effet, a lieu en réalité souvent en mer de façon illégale, à l’approche des ports (Noémie et al., 2003).

Le dégazage (Sludges)

Les produits pétroliers sont introduits dans l’environnement marin sous forme de produits raffinés : carburants et huiles, leurs compositions dépendent de l’origine du pétrole et des opérations subites au cours du raffinage. On dénombre environ 230 composants pour l’essence et de l’ordre de 2000 pour un fuel lourd (Soltani, 2004) .

On distingue deux types de carburants : les carburants lourds tels que le naphta et les fuels lourds, et les carburants légers tels que les essences et les gazoles (Figure 4). Les carburants lourds ont une densité (d) supérieure à 1 et vont donc s’accumuler au niveau du plancher de la nappe. En quantité suffisante, ils vont constituer une phase non miscible appelée DNAPL (Dense Non Aqueous Phase Liquid). Au contraire, les carburants légers ont une densité (d) inférieure à 1 et vont donc s’accumuler à la surface de la nappe. La phase non miscible sera appelée LNAPL (Light Non Aqueous Phase Liquid) (Saada et al., 2004).

L’essence est composée de quatre principales classes structurales d’hydrocarbures :Les n-alcanes ou des n-paraffines (hydrocarbures saturés linéaires); Isoalcane ou isoparaffines (hydrocarbures saturés ramifiés); Cycloalcanes ou des naphtènes (saturés alcanes cycliques); et les aromatiques (Figure 4)(Marchal et al., 2003).

Le dégazage correspond aux rejets d’huiles de vidange et de résidus de fuel générés par les moteurs de l’ensemble des navires. Les pollutions dues aux vidanges des moteurs, aux huiles et résidus de fuel concernent en effet tous les types de navires : transport de cargaison (tankers, vraquiers, porte-containers..), transport de passagers (bateaux de croisières, ferry..) et bateaux de pêche. Compte tenu de l’utilisation d’un fuel brut de bas de gamme pour la propulsion du navire, seule une partie du fuel peut être consommée par les machineries lorsqu’un navire fait route. Outre ces résidus de fuel, un navire consomme une importante quantité d’huiles de graissage, qui fuient des machineries et s’accumulent dans les fonds de cales des navires (Noémie et al., 2003).

Origine biogénique

Albro, (1976) ; Bachofen, (1982) & Saliot, (1981) signalent qu’une quantité non négligeable d’hydrocarbures peut provenir de l’activité de nombreux micro-organismes et des plantes aquatiques (phytoplancton, macrophytes).

Les espèces phytoplanctoniques et les macro-algues synthétisent des n-alcanes dont les longueurs de chaînes varient respectivement de n-C14 à n-C32 et de n-C20 à n-C30 (Saliot, 1981), avec un maximum à n-C15 ou n-C17 (Blumer et al., 1971 ; Gelpi et al.,1970 ; Clarck et al. ,1967; Youngblood et al.,1971).

Le littoral algérien

Les principaux problèmes de pollution du littoral algérien incluent les eaux usées urbaines et industrielles non traitées, les nappes d’hydrocarbures de pétrole et l’érosion côtière (www.eea.europa.eu.2006).La pollution par les hydrocarbures de pétrole est très courante le long du littoral algérien, compte tenu des voies du trafic maritime pétrolier qui passent à proximité, selon le rapport réalisé par l’AAE en 2006 (www.eea.europa.eu.2006) 150 millions de tonnes d’hydrocarbures y sont transportées chaque année sur les 500 millions de tonnes/an d’hydrocarbures transportées au total en mer méditerranée, ce qui correspond au transit de 1800 pétroliers par an. En outre, plus de 50 millions de tonnes d’hydrocarbures empruntent chaque année les terminaux pétroliers des principaux ports algériens (Arzew, Bethioua, Bejaia et Skikda), avec d’importantes fuites en mer (10 000 tonnes/an). Selon JORA N°63 du 08 Octobre 2006 la méditerranée restera une route importante pour le transport d’hydrocarbures et de gaz. Par ailleurs d’importantes quantités d’hydrocarbures sont exportées à partir des ports algériens et tunisiens. Les opérations de déballastage sont également responsables de déversement de quelques 12 000 tonnes supplémentaires d’hydrocarbures par an dans les eaux côtières du fait que les installations de réception disponibles ne peuvent pas répondre aux quantités de ballast. De plus, une pollution par les hydrocarbures est imputable aux rejets d’eaux usées industrielles et urbaines de boues toxiques provenant de raffineries de pétrole à Alger, Oran et Skikda et de la production de gaz naturel. En raison de la présence d’activités pétrolières en Algérie, les sédiments portuaires et côtiers présentent de fortes concentrations en hydrocarbures pétroliers totaux ainsi qu’en hydrocarbures aromatiques polycycliques «HAP» (tableau 1) (www.eea.europa.eu.2006).

Table des matières

INTRODUCTION
1 LE PETROLE
2 LES PRINCIPALES FAMILLES DES HYDROCARBURES
2.1 LES HYDROCARBURES SATURES PARMI LESQUELS ON DISTINGUE
2.1.1 Les alcanes linéaires (n-alcanes)
2.1.2 Les alcanes ramifiés
2.1.3 Les cycloalcanes
2.2 LES HYDROCARBURES AROMATIQUES
2.2.1 Les hydrocarbures mono-aromatiques
2.2.2 Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)
2.3 LES COMPOSES POLAIRES (LES COMPOSES N, S, O)
3 ORIGINE DES HYDROCARBURES PETROLIERS DANS L’ENVIRONNEMENT MARIN
3.1 ORIGINE ANTHROPIQUE
3.1.1 Les suintements naturels (sources géochimiques)
3.1.2 Les accidents pétroliers
3.1.3 Le déballastage (Slops)
3.1.4 Le dégazage (Sludges)
3.2 ORIGINE BIOGENIQUE
4 LE LITTORAL ALGERIEN
1 LES MICRO-ORGANISMES HYDROCARBONOCLASTES
2 LES GROUPES DE BACTERIES HYDROCARBONOCLASTES MARINES (BHCM)
3 ADAPTATION DES BACTERIES HYDROCARBONOCLASTES (HCB) AUX HYDROCARBURES
4 LES CONSORTIUMS BACTERIENS
4.1 LES FACTEURS LIMITANT L’ACTION DES HCB
4.2 FACTEURS ENVIRONNEMENTAUX AFFECTANT L’ACTIVITE DES HCB
4.2.1 La température
4.2.2 Oxygène
4.2.3 Le pH
4.2.4 La salinité
4.2.5 La pression hydrostatique
4.3 LA COMPOSITION CHIMIQUE DES HYDROCARBURES
4.4 LA CONCENTRATION DU PETROLE
4.5 LES BIOSURFACTANTS
4.6 LES ELEMENTS NUTRITIFS
1 SITES D’ETUDE ET ECHANTILLONNAGE
1.1 ANALYSE DES ECHANTILLONS DE L’EAU DE MER
1.1.1 Analyses physico-chimiques
1.1.2 Le dosage des hydrocarbures totaux
1.1.2.1 Principe
1.1.2.2 Technique
LES HYDROCARBURES SONT DETECTES EN 5 ETAPES :
1.1.3 Le dosage de l’azote total (NT)
1.1.3.1 Principe
TECHNIQUE
1.1.4 Le dosage du Phosphore total (PT)
1.1.4.1 Principe
1.1.4.2 Technique
1.2 ANALYSES BACTERIOLOGIQUES
1.2.1 Isolement bactériologique
1.2.1.1 Technique
1.2.2 Sélection bactérienne
1.2.2.1 Technique
1.2.2.2 Lecture
1.2.3 Identification bactériologique
1.2.3.1 Étude des caractères morphologiques :
1.2.3.1.1 Technique
1.2.3.2 Étude des caractères physiologiques
1.2.3.2.1 Le test de la mobilité
1.2.3.2.2 Technique
1.2.3.2.3 Lecture
1.2.3.3 Le test de la catalase
1.2.3.3.1 Principe
1.2.3.3.2 Technique
1.2.3.3.3 Lecture
1.2.3.4 Le test de l’oxydase
1.2.3.4.1 Principe
1.2.3.4.2 Technique
1.2.3.4.3 Lecture
1.2.3.5 Etude des caractères biochimiques
1.2.3.5.1 Principe
1.2.3.5.2 Technique
1.3 ANALYSES MOLECULAIRES
1.3.1 Extraction et purification de l’ADN génomique bactérien
1.3.1.1 Principe
1.3.1.2 Technique
1.3.2 Amplification des gènes d’ADNr 16 S par réaction de polymérisation en chaîne (PCR)
1.3.2.1 Principe
1.3.2.2 Technique
1.3.3 Séquençage
1.4 ANALYSES PHYLOGENETIQUES DES SEQUENCES
1.5 CONSERVATION DES SOUCHES BACTERIENNES
2 ÉTUDE DU POTENTIEL DE BIODEGRADATION DES HYDROCARBURES
2.1 ESSAIS DE CROISSANCE DES BACTERIES SELECTIONNEES EN PRESENCE DES HYDROCARBURES SATURES (ALCANES)
2.1.1 Technique
2.1.2 Lecture
2.2 ESSAI DE CROISSANCE DES BACTERIES SELECTIONNEES EN PRESENCE DES HYDROCARBURES RAFFINES (CARBURANTS)
2.2.1 Technique
2.2.2 Lecture
2.3 ETUDE COMPARATIVE DE LA CROISSANCE DES BACTERIES SELECTIONNEES (AVEC ET SANS BIO-STIMULATION) EN PRESENCE D’UN HYDROCARBURE RAFFINE (ESSENCE NORMALE)
2.3.1 Technique
2.3.2 Lecture
2.4 DOSAGE DES HYDROCARBURES
3 RESULTATS DES ANALYSES DES ECHANTILLONS DE L’EAU DE MER
3.1 LES PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES
3.2 IDENTIFICATION BACTERIOLOGIQUE
3.2.1 Les souches hydrocarbonoclastes
3.2.2 Identification morphologique
3.2.3 Identification biochimique
3.2.4 Identification moléculaire
3.3 RESULTATS PHYLOGENETIQUES
4 CROISSANCE DES BACTERIES SELECTIONNEES EN PRESENCE DES HYDROCARBURES SATURES (LES ALCANES)
4.1 VIBRIO ALGINOLYTICUS PB-WC 11099
4.2 EXIGUOBACTERIUM AURANTIACUM STRAIN NB11_3A
4.3 HALOMONAS VENUSTA STRAIN NY-8
4.4 DIETZIA SP CNJ898 PLO4
5 ESSAI DE CROISSANCE DES BACTERIES SELECTIONNEES EN PRESENCE DES HYDROCARBURES RAFFINES (CARBURANTS)
5.1 VIBRIO ALGINOLYTICUS PB-WC 11099
5.2 EXIGUOBACTERIUM AURANTIACUM STRAIN NB11_3A
5.3 HALOMONAS VENUSTA STRAIN NY-8
5.4 DIETZIA SP CNJ898 PLO4
6 ÉTUDE COMPARATIVE DE LA CROISSANCE DES BACTERIES SELECTIONNEES (AVEC ET SANS BIO-STIMULATION) EN PRESENCE D’UN HYDROCARBURE RAFFINE (ESSENCE NORMALE)
6.1 VIBRIO ALGINOLYTICUS PB-WC 11099
6.2 EXIGUOBACTERIUM AURANTIACUM STRAIN NB11_3A
6.3 HALOMONAS VENUSTA STRAIN NY-8
6.4 DIETZIA SP CNJ898 PLO4
7 DOSAGE DES HYDROCARBURES TOTAUX APRES CROISSANCE IN VITRO
8 ANALYSE STATISTIQUE
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
PRODUCTIONS SCIENTIFIQUES
ARTICLES INTERNATIONAUX
COMMUNICATIONS NATIONALES
COMMUNICATIONS INTERNATIONALES