Près de cinq ans après sa création au Massachusetts Institute of Technology (MIT), la portée mondiale et le potentiel immense des recherches soutenues par les subventions de l’Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) s’avèrent de plus en plus évidents.

Près de 60 chercheurs principaux (CP) du MIT issus de 19 départements, laboratoires et centres du MIT ; 58 étudiants de premier cycle, de master et doctorants bénéficiant d’un soutien financier ; 35 chercheurs post-doctorants et 15 membres supplémentaires de personnel de recherche comptent parmi les membres de la communauté de recherche, qualifiée et variée, soutenue par le financement du J-WAFS. Au MIT, le programme de subventions de démarrage du J-WAFS constitue la source de financement la plus importante pour les recherches dédiées à l’eau et à l’alimentation. Ce soutien fournit à la communauté de recherche du MIT des ressources essentielles, ses membres s’efforçant d’aborder les défis les plus graves auxquels l’humanité est confrontée.

Il est espéré que leurs recherches auront un impact considérable en matière d’approvisionnement et de sécurité alimentaire et de l’eau, et cela malgré les demandes croissantes pesant sur nos systèmes alimentaires et hydriques en raison du changement climatique et de la surconsommation. Le financement du J-WAFS va au-delà des subventions de recherche de démarrage. Le programme J-WAFS Solutions soutient la commercialisation du fruit de ces recherches ainsi que d’autres technologies et approches innovantes.

Avec des demandes de propositions pour les subventions de démarrage initiales 2019 du J-WAFS déjà octroyées, Opening Doors revient sur le succès de certains des projets initiaux financés en 2016 et récemment arrivés à terme.

Des matières actives pour l’extraction de métaux lourds de l’eau

CP : Timothy Swager, professeur de chimie John D. MacArthur, département de chimie 

En développant des conceptions évolutives pour des membranes à base de polymères pouvant éliminer au niveau moléculaire les toxines, telles que le plomb et mercure, de l’eau, le chercheur principal Timothy Swager espère développer une technologie à même de transformer le secteur de l’eau. Les membranes opèrent en manipulant des charges électriques afin de capturer et relâcher les ions métalliques toxiques. Pour l’instant, l’équipe du Pr Swager a construit et validé un filtre prototype pouvant éliminer avec succès les deux métaux, et a également montré comment ce filtre pourrait être utilisé à une échelle industrielle. L’équipe a déjà obtenu un soutien financier de la part de la MIT Energy Initiative afin de poursuivre en s’appuyant sur les résultats positifs de ses recherches. Cette subvention de suivi soutient l’application du processus de production des membranes en vue de la création de piles à combustible haute performance. Le Pr Swager étudie également la façon dont la même stratégie de filtrage pourrait être employée pour l’extraction de molécules spécifiques des plantes.

Des virus bactériens comme agents de contrôle des pathogènes dans les systèmes d’aquaculture

CP : Martin Polz, professeur, département de génie environnemental et civil

L’un des nombreux problèmes auxquels les fermes aquacoles sont confrontées est le déclin des populations en raison d’infections bactériennes. Les huîtres et crustacés sont particulièrement vulnérables aux infections, et ils sont souvent traités à l’aide de doses massives d’antibiotiques.

Néanmoins, cette stratégie ne s’avère pas toujours efficace pour le contrôle des maladies. De fait, l’utilisation d’antibiotiques en aquaculture est si généralisée que les antibiotiques perdent leur efficacité avec le temps. Des virus capables de cibler des bactéries nocives spécifiques pourraient constituer une alternative durable. Le Pr Polz et son équipe de recherche tentent de créer des « cocktails de virus » efficaces, pouvant neutraliser la croissance des bactéries nocives. Ils ont déjà caractérisé et cartographié les interactions virus/bactéries afin d’identifier les combinaisons de virus pouvant devancer la capacité des bactéries à développer une résistance, et ont reçu un financement de suivi de la part de la Simons Foundation afin de pousser plus avant ces recherches sur les interactions virus/bactéries.

La détection sur site, en temps réel, des agents pathogènes d’origine alimentaire par des bactériophages modifiés intégrés à des plateformes de préparation d’échantillons microfluidiques

CP : Jongyoon Han, professeur, département de génie électrique et informatique, et département de génie biologique ; Timothy Lu, professeur associé, département de génie électrique et informatique, et département de génie biologique

La détection des agents pathogènes d’origine alimentaire dans les installations de production et de transformation des aliments constituent un problème majeur.

Une détection précoce permet aux entreprises et aux usines de contrôler plus efficacement la prolifération de maladies d’origine alimentaire, ce qui réduit les coûts autant que les effets néfastes pour la santé survenant lorsque des aliments contaminés sont mis sur le marché. En s’appuyant sur leur expertise en microfluidique, le professeur Han et le professeur Lu ont construit un dispositif haute capacité séparant et concentrant les cellules des échantillons alimentaires.

Ce dispositif est associé à un système de détection de virus utilisant des virus modifiés afin d’infecter spécifiquement des bactéries telles que la salmonelle et la listeria, et les faire s’éclairer, révélant ainsi rapidement le niveau de contamination présente. Le groupe du professeur Han évalue maintenant l’utilisation potentielle de la technologie pour tester la sécurité de l’eau.

Estimer les avantages afin de renforcer les marchés de l’eau

CP : Christopher Knittel, professeur George P. Schultz, Sloan School of Management

Alors que la pénurie d’eau devient un problème de plus en plus pressant, de quelle manière la politique économique peut-elle faire la promotion d’une utilisation plus efficace de l’eau dans des contextes urbains et agricoles ?

En compilant le premier ensemble connu de données complet capturant les attributions d’eau de surface en Californie de 1980 à aujourd’hui, l’équipe du Pr Knittel est en train d’établir une image plus précise de l’utilisation de l’eau afin de comprendre et de quantifier les avantages environnementaux et économiques des marchés de l’eau, par ex. : vente, achat et exploitation commerciale des ressources en eau.

Le Pr Knittel a désormais établi des relations fructueuses avec le département américain des ressources en eau (U.S. Department of Water Resources), la Commission de contrôle des ressources en eau de l’État (State Water Resources Control Board), ainsi qu’avec plusieurs sociétés de conseil et de courtage impliquées dans la tarification de l’eau, l’ensemble de ces partenaires étant investis dans les résultats futurs des recherches.

La pollution atmosphérique affecte les rendements agricoles à l’échelle mondiale

CP : Colette Heald, professeure associée, département de génie environnemental et civil

Comment la pollution atmosphérique affecte-t-elle la production agricole ? Bien que de nombreuses recherches aient été effectuées sur l’effet de l’ozone sur la santé et le rendement des cultures, il existe peu de recherches sur les effets de la matière particulaire.

La professeure Colette Heald du département de génie civil et environnemental a remarqué cette lacune dans les recherches. Elle a utilisé la subvention de démarrage 2016 du J-WAFS pour étudier les effets de la matière particulaire atmosphérique sur les rendements agricoles. En combinant des modèles de production agricole et de transport des polluants atmosphériques, son équipe a établi la première estimation exhaustive des effets de la pollution atmosphérique sur la production alimentaire. Les modèles ont montré que tandis que l’ozone endommage les feuilles des plantes, la matière particulaire peut diffuser le rayonnement solaire, et donc accroître la quantité de lumière solaire disponible pour les plantes, neutralisant ainsi certaines projections de dommages causés par l’ozone. Néanmoins, les résultats de recherche ont également révélé un degré élevé de variabilité, montrant ainsi l’incertitude concernant l’impact général de la matière particulaire sur les rendements agricoles mondiaux.

J-WAFS : Un catalyseur pour des recherches orientées sur les solutions

En 2017, sept projets supplémentaires ont reçu un total de 1,4 millions USD en subventions de démarrage J-WAFS.

Parmi ces projets, la tentative du Pr Xuanhe Zhao et du Pr John Lienhard visant à développer une technologie de nettoyage de membranes, fondée sur des vibrations et sans produits chimiques, technologie qui pourrait considérablement améliorer l’efficacité (et réduire le coût) de l’osmose inversée : le processus de dessalage le plus couramment utilisé à travers le monde. « L’eau douce est essentielle à notre existence », déclare le Pr Zhao, « néanmoins garantir un approvisionnement durable et stable constitue un immense défi, particulièrement dans les régions pauvres en eau, comme le Moyen-Orient et l’Afrique du Nord. » Les deux scientifiques espèrent que leurs recherches permettront de réduire les coûts d’exploitation et de maintenance associés à l’osmose inversée, ce qui en retour devrait également réduire le coût de l’eau pour les consommateurs.

Par l’octroi de trois bourses de recherche Rasikbhai L. Meswani Fellowship for Water Solutions, et de deux bourses additionnelles du programme J-WAFS Graduate Student Fellowship, depuis 2017, cinq doctorants du MIT ont obtenu un soutien pour des projets de recherche pouvant avoir un impact considérable sur la gestion future de l’approvisionnement en eau.

Les projets sont :

  • La fourniture d’un système d’analyse pour la conception d’une infrastructure technique pouvant minimiser les incertitudes de planification de l’approvisionnement, ceci incluant les précipitations, la démographie et le changement climatique, à travers l’Arabie saoudite, le Kenya et l’Australie (Sarah Fletcher, boursière 2017).
  • Le développement des connaissances nécessaires pour soutenir le développement de la nanotechnologie qui pourrait, à terme, permettre un dessalage plus économique, durable et efficace (Omar Labban, boursier 2017).
  • Le développement de microbes modifiés génétiquement qui pourraient être utilisés plus efficacement et à moindre coût comme capteurs de la qualité de l’eau (Tzu-Chieh Tang, boursier 2017).
  • La conception d’un filtre à eau facile d’emploi et abordable, fait en xylème, pouvant éliminer les contaminants des sources d’eau marginales dans les zones rurales et les communautés vulnérables (Krithika Ramchander, boursière 2018)
  • L’étude de la façon dont des Partenariats d’opérateurs de l’eau (POE) multinationaux pourraient fournir une approche alternative pour le renforcement des services publics de distribution et d’assainissement de l’eau dans les pays en développement (Andrea Karin Beck, boursière 2018)

Recherches en cours

La « cuvée » 2018 de recherches financées par le J-WAFS inclut un projet dirigé par le professeur Ahmed Ghoniem et le doctorant Kevin Kung.

Les deux chercheurs travaillent sur un projet visant à perfectionner une nouvelle technologie de traitement de la biomasse afin de produire de l’engrais à petite échelle dans les communautés rurales, en utilisant principalement les ressources, la main-d’œuvre et les déchets agricoles locaux. « Le financement du J-WAFS nous permet d’entreprendre les premières étapes essentielles afin de commencer à progresser sur ce marché, et espérons-le à concrétiser notre vision », a déclaré le professeur Ghoniem. « Nous sommes convaincus, également, que collaborer avec le J-WAFS peut non seulement nous aider en termes de développement technologique, mais également pour explorer les possibilités de diversification et de commercialisation de la technologie. »

Un autre projet implique le professeur Rohit Karnik et la maître de conférence Amy Smith, qui dirigent un groupe de chercheurs espérant exploiter les qualités naturelles du xylème pour fournir une eau potable sûre, abordable aux groupes à faible revenu. « Nous avons pour objectif d’utiliser une technologie naturelle de filtrage de l’eau, très différente de celles sur le marché, avec pour espoir d’améliorer l’approvisionnement en eau potable des communautés rurales et à faibles revenus », a déclaré le professeur Karnik.

Ce catalogue de projets J-WAFS montre comment soutenir des recherches fondées sur des idées encore à un stade précoce peut conduire à des avancées qui jettent les bases pour de futures recherches et mènent également à des technologies adaptables à grande échelle pour contribuer à résoudre les plus grands défis auxquels le monde est confronté.

Des informations supplémentaires sur ces projets ainsi que d’autres projets financés par le J-WAFS sont disponibles sur le site Web du J-WAFS.