De nombreux exemples du vivant sont utilisés pour expliquer et illustrer les principes et la richesse des possibilités de « la chimie douce ». Les deux types d’approches biomimétiques et bio-inspirées sont décrites et appliquées à la fabrication de nouveaux matériaux inorganiques hybrides : la première copiant un concept pour avoir la même finalité que celle de la nature, la seconde décodant les concepts de la nature pour les extrapoler au service de la créativité du chimiste.

La fabrication des nouveaux matériaux mésoporeux bio-inspirés et l’intérêt des applications qui en résultent sont expliqués sur de nombreux exemples. Le couplage de cette nouvelle chimie, fondée sur la minéralisation à température ambiante associée à un processus moléculaire d’auto-assemblage, et de l’ingénierie permet de créer des matériaux hybrides nanocomposites organominéraux. Les propriétés de ces composés d’usage peuvent être extraordinairement variées. Les applications existent et se développent dans tous les domaines en particulier ceux de l’énergie et du médical.

Les défis à surmonter sont nombreux pour mettre en évidence une relation causale entre contamination chimique et effets biologiques sur des organismes biologiques complexes : individus, populations, écosystèmes. Il faut distinguer les effets des pollutions chimiques avec les autres stress environnementaux. Les sources possibles de stress environnemental sont multiples : température, variation de salinité, conditions trophiques, réchauffement climatique, pertes d’habitat…

Par ailleurs certaines substances comme les médicaments (humains ou vétérinaires) ou les cosmétiques finissent dans les milieux aquatiques sans être métabolisées par les organismes humain ou animal et leurs effets sur le littoral est encore inconnu.

De gros efforts relatifs à la toxicologie environnementale et humaine sont à réaliser afin de protéger et d’exploiter les ressources marines.

Les sciences chimiques de l’environnement marin sont au cœur des grandes questions que se pose aujourd’hui notre civilisation. Si l’on veut mettre en œuvre un développement durable, chaque citoyen doit être capable d’élaborer sa réponse aux interrogations suivantes : à l’échelle globale, peut-on/doit-on modifier la composition chimique de l’océan pour augmenter son potentiel dans sa maîtrise du climat de la planète Terre ? À l’échelle locale, peut-on/doit-on continuer à modifier l’environnement chimique du littoral sans souci de l’impact sur la modification de la biodiversité ?

Nous avons la chance d’avoir partout en France une eau parfaitement saine au robinet. Vous découvrirez tout le travail de recherche et de développement que ce confort nécessite en amont. Vous visiterez un grand site industriel de traitement de l’eau et les laboratoires d’analyse. Les traitements d’assainissement les plus modernes vous seront expliqués et vous ferez connaissance avec les métiers qui s’y rattachent.

Cette vidéo est également disponible sur le site d'universcience.

Cette mise au point très complète des travaux et projets internationaux est extraite d’une présentation aux communautés européennes. Elle montre que la créativité des scientifiques sait exploiter la richesse potentielle de la chimie du dioxyde de carbone pour que cette molécule passe du statut de gaz à effet de serre, dangereux pour l’avenir de la planète à celui d’une molécule qui pourrait devenir la matière première d’une véritable révolution industrielle adaptée aux besoins énergétiques croissants de notre civilisation moderne.

Des usines pilotes en fonctionnement montrent que, en utilisant l’hydrogène produit par l’électrolyse de l’eau à partir de l’énergie électrique issue de sources d’énergie renouvelables intermittentes (solaire, éolien), le couplage CO/H₂ peut servir soit à fabriquer une nouvelle source de méthane pour réguler la production d’énergie électrique, soit à produire du méthanol, matière première industrielle qui ouvre la voie à une chimie diversifiée.

Par ailleurs le même couplage CO₂/H₂ appliqué à la gazéification directe du charbon dans les gisements, permet d’envisager une exploitation non polluante et plus rentable de cette énergie fossile abondante et parmi les moins coûteuses, à la fois comme source d’électricité et comme matière première industrielle.

On verra qu’il est incontournable de faire appel à la chimie pour aider la mer. Les scientifiques ont voulu développer d’autres produits que les dispersants pour combattre les marées noires : absorbants, gélifiants, repousseurs, émulsifiants… mais ils restent marginaux par rapport aux dispersants qui font leurs preuves depuis 30 ans.

La dispersion reste la technique privilégiée pour lutter contre les marées noires et en réduire l’impact environnemental. Mais il ne suffit pas de formuler les bons produits, il faut savoir les mettre en œuvre : la technique de la dispersion des pollutions pétrolières en mer est un travail d’équipe qui, au-delà des chimistes qui formulent le produit, regroupe des biologistes et environnementalistes qui précisent les conditions d’emploi, des ingénieurs mécaniciens qui conçoivent les équipements et des opérationnels marins qui assurent la maintenance du matériel et la conduite des opérations.

Les unités isopréniques en C5 sont la base de composés intermédiaires du métabolisme des cellules vivantes qui conduisent à des molécules naturelles très importantes du monde animal, végétal et bactérien. La connaissance des voies métaboliques est une source de molécules à large potentiel d’applications.

La chimie est un outil indispensable pour l’étude de ces processus biologiques et des applications qui en découlent :

• pour la synthèse organique des précurseurs, des intermédiaires réactionnels, des molécules marquées (qui permettent d’établir par Résonance Magnétique Nucléaire les mécanismes réactionnels), des substrats des réactions enzymatiques ;
•  pour la caractérisation structurale des intermédiaires réactionnels.

Deux voies de synthèse sont ainsi identifiées pour les unités isopréniques :

• l’une part de l’acétate. Elle est la seule identifiée chez l’homme et on la retrouve chez les champignons, les levures et le liquide dans lequel baignent les chloroplastes des plantes (le cytosol).
• l’autre démarre avec les sucres. Elle est la voie majoritairement observée chez les bactéries, les protozoaires, les parasites, les plasmodiums, les chloroplastes végétaux et les algues.

La connaissance de cette seconde voie de biosynthèse absente chez l’homme a permis de concevoir un bactéricide de synthèse efficace contre des agents infectieux résistants aux antibiotiques. Les études des mécanismes de réactions couplées à l’utilisation de la RMN sont expliquées dans le détail ainsi que les stratégies de synthèse.

Après un exposé illustré de photos des différentes pollutions atmosphériques, les objectifs et les différents aspects de la chimie atmosphérique sont présentés sur l’exemple de l’étude d’aérosols dont l’homme est responsable à 90% : les HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques).

Les expérimentations et analyses sur le terrain (au sol, dans l’air et dans la stratosphère) et au laboratoire sont commentées : analyses de traces, études de réactivités, modélisation et mécanismes réactionnels, méthodologies de traçage des sources et évolution de la génotoxicité. L’intérêt du large panel de compétences nécessaires pour cette discipline et l’intérêt de ses applications sont très clairement expliqués.

Les micropolluants, avec leurs concentrations dans l’eau de l’ordre du micro - voire du nanogramme par litre, doivent être contrôlés de façon extrêmement précautionneuse pour prévenir tout risque sanitaire. Des normes précises, fonction de la nature des polluants, ont été établies et sous-tendent un cadre réglementaire très sévère.

La variété des substances (organiques, inorganiques, pharmaceutiques) étant considérable le problème analytique posé est gigantesque. Des protocoles ont été établis pour chaque substance pour toutes les étapes du processus analytique, du prélèvement au choix et au calibrage de la méthode de mesure adaptée afin que les résultats soient robustes et validés. Des coups de projecteurs sont détaillés dans ce chapitre (couplage chromatographie - spectrométrie de masse, cas des produits organiques semi-volatils, validation pour les molécules organiques) pour faire saisir la réalité de ce travail analytique multiforme.

La purification des eaux avant recyclage fait appel à des procédés chimiques ou biochimiques, directs ou « tertiaires » (aidés par des procédés sophistiqués comme l’irradiation UV, l’adsorption, la nanofiltration, l’oxydation à l’ozone, ou même des méthodes combinées). Les sources de pollution sont si nombreuses, les polluants et leurs occurrences si divers, que tout est loin d’être couvert et que caractérisations et traitements font toujours dans les laboratoires l’objet de recherches qui couplent chimie et compréhension de l’environnement.

Cette étude explique comment l’océan absorbe le dioxyde de carbone.

Il faudrait maintenant « fertiliser » l’océan par du fer pour réactiver cette pompe biologique afin de réduire le CO₂ atmosphérique. Le cycle naturel du fer dans l’océan est expliqué dans des expériences de fertilisation naturelle et artificielle réalisées sur le terrain y compris à grande échelle. Pourtant il n’a pas livré tous ses secrets et ces laboratoires naturels présentent encore un large potentiel de découvertes et d’applications.