Francesca Casagli

Avant d'expliquer ce que je fais en tant que chercheuse dans les processus environnementaux, j'aimerais que chacun de vous pense à un environnement aquatique naturel, celui que vous préférez. Par exemple, cela peut être une rivière avec une eau transparente, entourée d'une végétation verte luxuriante avec des oiseaux qui chantent.

Cela peut être une plage sauvage lavée par une mer cristalline.

Cela peut être l'océan rempli de poissons colorés et de coraux ; ou peut-être un magnifique lac de montagne.

Ne vous inquiétez pas, je ne vous demande pas d'imaginer les vacances de vos rêves.

En fait, le scénario va changer très rapidement, car je veux vous montrer cette image beaucoup moins agréable.

C'est toujours un environnement aquatique naturel, mais l'eau est dramatiquement contaminée. Maintenant, j'ai une question : savez-vous quel est le lien entre les deux scénarios ?

... Nous, nous sommes le lien, les êtres humains. Mais pourquoi ? Comment pouvons-nous être le lien ? Parce que les êtres humains sont des machines inefficaces d'un point de vue de la gestion des déchets.

Par exemple, lorsque nous mangeons, nous assimilons seulement une partie de la nourriture, environ 30 %, tout le reste est gaspillé sous forme d'excréments solides et liquides, produisant une énorme quantité d'eaux usées.

Plus de 50 m3 par an d'eaux usées sont produites en moyenne par Européen. Mais ce n'est pas tout. Toutes les industries qui ont besoin d'utiliser de l'eau dans leurs processus de production génèrent une grande quantité d'eaux usées.

Pensez simplement à la quantité de contamination que les 8 milliards de personnes sur cette planète peuvent générer.

Eaux contaminées = eaux usées ; Cycle de l'eau

Mais qu'est-ce que sont exactement ces eaux usées et où finissent-elles ?

Les eaux usées sont essentiellement de l'eau, initialement prélevée dans des sources d'eau naturelles, pour être utilisée dans la chaîne de production de nombreuses activités anthropiques, pour toutes nos exigences.

À la fin de la chaîne de production, elles ne sont plus seulement de l'eau, elles sont de l'eau plus des contaminants. Dans nos déchets, il y a également des contaminants tels que des antibiotiques, des hormones, des pesticides, des colorants, des virus et de nombreuses autres molécules toxiques.

Par conséquent, avant de rejeter les eaux usées dans l'environnement, elles passent par ce qu'on appelle les stations d'épuration des eaux usées, afin d'éliminer les contaminants. Est-ce la fin de l'histoire ? Malheureusement, non.

Le problème est qu'avec nos déchets, nous perdons en même temps de nombreux éléments que nous pouvons réutiliser, également comme sources d'énergie fondamentales.

Par exemple : l'azote. L'azote est un ingrédient essentiel pour la construction des protéines de notre corps. Considérez qu'avec la méthode standard pour produire 1 kg d'azote à utiliser dans les engrais, vous devez brûler environ 1 kg de combustibles fossiles, produisant ainsi du CO2. Et nous gaspillons de l'azote.

Autre exemple : le phosphore. Le phosphore est un composant fondamental des molécules de notre corps qui transportent l'énergie. Le phosphore est également un ingrédient clé pour la construction de batteries de voiture, par exemple.

Considérez que les sources naturelles de phosphore sont très limitées sur notre planète... et nous gaspillons cela. Tous ces aspects ne peuvent pas être ignorés, surtout à une époque où il est si important de trouver de nouvelles voies pour les énergies renouvelables.

Opportunité de revaloriser les éléments (dans la logique d'une économie circulaire)

Alors, comment pouvons-nous à la fois éliminer les contaminants et récupérer les éléments précieux et l'énergie chimique de l'eau que nous gaspillons chaque jour ? Comment pouvons-nous remodeler le cycle des eaux usées dans la logique d'une économie circulaire ?

C'est là que nous commençons à aborder ce que je fais en tant que chercheuse... J'explore et j'étudie de nouvelles biotechnologies pour le traitement des eaux usées, afin de trouver des solutions plus efficaces en termes d'émissions environnementales, d'énergie, de coûts, tout en fournissant des sources d'énergie renouvelable.

Utilisation de biotechnologies (algues + bactéries) => transformation

Avant d'arriver au cœur de ce que je fais... Pourquoi les BIO-technologies ?

Vous devez savoir qu'il existe dans la nature un micromonde actif, constitué de micro-organismes qui, tous ensemble, font tout cela. Nous devons exploiter et amplifier leur potentiel, et les faire croître dans un environnement que nous pouvons contrôler techniquement, appelé un bioréacteur.

En particulier, j'étudie des bioprocédés exploitant des microalgues et des bactéries. Nous pouvons les faire croître sur des eaux usées, car elles sont capables d'utiliser les contaminants pour les convertir en d'autres molécules.

Mais, attendez, qui sont ces individus ?

Les microalgues sont des micro-organismes très fascinants.

Elles peuvent accumuler de l'azote et du phosphore dans la cellule.

Cela signifie que lorsqu'elles poussent sur des eaux usées, elles peuvent utiliser l'azote et le phosphore de nos déchets pour le transformer en molécules précieuses, qui peuvent être extraites et utilisées pour produire : des biocarburants, des bioplastiques ou des biofertilisants, s'inscrivant ainsi dans cette logique d'économie circulaire.

Si vous voulez, elles sont similaires à des plantes microscopiques, poussant dans l'eau. De plus, ces microalgues font la photosynthèse, elles sont donc capables de capter l'énergie du soleil pour transformer le dioxyde de carbone en matériaux biologiques.

En conséquence de la photosynthèse, comme toutes les plantes, les microalgues produisent de l'oxygène, qu'elles peuvent fournir à d'autres micro-organismes pour se développer, comme les bactéries, sans le faire artificiellement, c'est-à-dire sans dépenser beaucoup d'énergie et d’argent.

Les bactéries, en plus de consommer de l'oxygène, offrent des avantages précieux aux microalgues.

Elles fournissent des vitamines pour la croissance, décomposent des molécules complexes pour les algues, et leur fournissent du dioxyde de carbone pour la photosynthèse, construisant ainsi un partenariat solide.

Ainsi, en faisant croître des centaines d'espèces différentes ensemble dans un bioréacteur, nous avons créé un environnement qui peut impliquer des milliards d'interactions possibles.

Comprendre les mécanismes de cette amitié et comment la contrôler est là où les choses deviennent compliquées. Cet écosystème est comme un grand orchestre dirigé par le soleil, où chaque espèce joue un instrument unique en harmonie avec les autres.

C'est une symphonie vivante de complexité et il est difficile de comprendre et de contrôler le destin de chaque instrument.

Innovation : modélisation d'écosystèmes artificiels contrôlés

Alors, comment comprendre la dynamique de ce micromonde d'interaction entre micro-organismes ? Comment le contrôler ? Et c'est là que j'arrive enfin à ce que je fais en tant que chercheuse...

Je développe des représentations mathématiques de ces écosystèmes, pour voir ce qui se passe, mais sur un ordinateur.

Les modèles mathématiques sont très puissants, ils vous permettent de voir l'invisible grâce à eux. Ils peuvent vous aider à comprendre ce qui se passe derrière la scène de ce micromonde d'algues et de bactéries, comment le diriger pour nettoyer l'eau et recycler efficacement les précieuses ressources que nous gaspillons.

Ces modèles sont des monstres mathématiques difficiles à maîtriser. Ajuster la sortie de ces modèles avec la réalité est un défi et nécessite des données réelles, obtenues à partir de campagnes expérimentales. C'est pourquoi, dans mon groupe de recherche, nous collaborons en permanence avec des biologistes et des microbiologistes, par exemple du Laboratoire d'Océanographie de Villefranche.

Créer une représentation mathématique de la réalité semble être un travail très excitant, et en effet, il l'est. Ce micromonde est tellement complexe que sa complexité dépasse souvent nos limites de compréhension et parfois nous ne comprenons vraiment pas.

Mais abandonner n'est jamais le choix préféré d'un chercheur. Nous devons persévérer, parfois pendant des mois, et trouver d'autres solutions jusqu'à ce que cela fonctionne.

Encore difficile à "contrôler" : l'IA comme aide

C'est en fait ce avec quoi je lutte dans mon travail. Trouver une nouvelle voie. Au lieu d'être bloquée par le manque de connaissance des mécanismes biologiques, j'explore une nouvelle approche numérique, en impliquant l'Intelligence Artificielle.

De nos jours, l'Intelligence Artificielle est largement utilisée pour de nombreuses applications, comme la reconnaissance d'image ou les voitures qui peuvent conduire seules. Mais elle n'a pas encore été profondément utilisée pour explorer la complexité des systèmes biologiques.

C'est pourquoi je veux impliquer dans cette histoire des réseaux neuronaux artificiels.

parce que je crois que beaucoup d'informations clés sont cachées dans les données que nous collectons, et les réseaux neuronaux artificiels peuvent apprendre directement à partir des données. Ils sont mathématiquement conçus pour avoir un processus d'apprentissage similaire à un cerveau humain, mais c'est un cerveau artificiel.

L'Intelligence Artificielle peut apporter une contribution importante pour rendre efficace la collaboration synergique entre nos amis les microalgues et les bactéries, pour récupérer de l'énergie, réduire les émissions environnementales et redonner de l'eau propre à l’environnement.

Conclusion : IA x Environnement : L'IA contribuera à "sauver" l'environnement

J'utilise l'Intelligence Artificielle pour atténuer le changement climatique, réduire les besoins énergétiques et améliorer l'efficacité des sources d'énergie renouvelable. Mais ce n'est que la partie émergée de l’iceberg.

L'Intelligence Artificielle a le potentiel d'apporter des contributions significatives à de nombreuses initiatives environnementales et écologiques, car ces algorithmes peuvent traiter de grands ensembles de données provenant d'un vaste réseau de capteurs environnementaux. Ils peuvent suivre la déforestation, la qualité de l'air et de l'eau, ou la santé des écosystèmes.

Par exemple, l'Intelligence Artificielle peut estimer la biodiversité à partir des bruits enregistrés dans une forêt. En conclusion, en exploitant la puissance de l'intelligence artificielle, nous pouvons obtenir des informations plus approfondies sur les défis environnementaux et œuvrer vers un avenir plus durable et écologiquement équilibré. Je crois que nous en sommes capables.

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