Dynamics and activity measurement of nitrogen converting bacteria underlying selected bioprocesses treating animal and municipal wastewater

par Alfredo Anceno

Thèse de doctorat en ChimieChimie

Sous la direction de Patrick Dabert et de Oleg Shipin.

Soutenue en 2010

à Rennes 1 en cotutelle avec l'Asian institute of technology , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (autre partenaire) .

mots clés

• Méthanisation
• Nitrification
• Dénitrification
• Eaux usées -- Épuration -- Procédé des boues activées

Titre traduit

Dynamique des bactéries nitrifiantes des procédés de traitement biologique du lisier de porcs et des eaux usées urbaines

Résumé

The work presented concerns the characterization of nitrifying and denitrifying microbial communities of a biological treatment process treating pig slurry in several operating configurations. First, possible biases associated with the use of molecular typing tools as 16SrDNA PCR-SSCP (Single Strand Conformation Polymorphism) were investigated in environmental matrices such as compost, pig manure, and soil. Then, the ammonium-oxidizing, nitrite-oxidizing and denitrifying bacteria present in the process were analyzed by PCR-SSCP of 16S rDNA, nosZ gene inventories, and / or quantification of nitrification (amoA, nxrB) and denitrification genes (napA, narG, nirS, nirK, norB, nosZ) by qPCR. These tools allowed following the start-up and operation of the treatment process in three configurations: (i) nitrogen removal reactor alone, (ii) nitrogen removal reactor coupled to the output of an anaerobic digester and bypass of a portion of the influent during the anoxic denitrification and finally, (iii) the same configuration as in (ii) with a sludge recirculation. Analysis of reactor operation, coupled with measurement of the biomass nitrifying activity by respirometry, and the characterization and quantification of microbial groups involved in the nitrogen cycle, shows the development of a nitritation-denitritation pathway in process configuration (iii) which is accompanied by the dominance of ammonium-oxidizing bacteria, reduction of nitrite-oxidizing, and a fluctuation of heterotrophic denitrifying bacteria.

Résumé

Les travaux présentés concernent la caractérisation des communautés microbiennes nitrifiantes et dénitrifiantes d'un procédé de traitement du lisier de porcs selon plusieurs configurations de fonctionnement. Tout d'abord, les biais liés à l'utilisation des outils de typage moléculaire des ADNr16S par PCR-SSCP (Single Strand Conformation Polymorphism) ont été investigués sur des matrices environnementales telles que le compost, le lisier de porcs et le sol. Ensuite, les bactéries ammonium-oxydantes, nitrite-oxydantes et dénitrifiantes du procédé ont été analysées par PCR-SSCP des ADNr16S, réalisation d'inventaires du gène nosZ, et/ou quantification des gènes de nitrification (amoA, nxrB) et dénitrification (napA, narG, nirS, nirK, norB, nosZ) par qPCR. Ces outils ont permis de suivre le démarrage puis le fonctionnement du procédé selon trois configurations de fonctionnement : (i) réacteur seul, (ii) réacteur couplé en sortie d'un digesteur anaérobie et dérivation d'une partie de l'influent lors de la phase anoxique de dénitrification, et (iii) même configuration que ci-avant avec une recirculation des boues. L'analyse du fonctionnement des réacteurs, couplée à la mesure de l'activité de nitrification de la biomasse par respirométrie et à la caractérisation et quantification des groupes microbiens impliqués dans la conversion de l'azote, montre la mise en place du processus de nitritation-dénitritation dans la configuration (iii) du procédé qui s'accompagne de la dominance des bactéries ammonium-oxydantes, de la diminution des nitrite-oxydantes, et d'une fluctuation des bactéries dénitrifiantes hétérotrophes.