Experimental coalescence of microbial communities in anaerobic digesters

par Diane Plouchart

Thèse de doctorat en Biotechnologie et Microbiologie

Sous la direction de Jérôme Hamelin.

  • Titre traduit

    Coalescence expérimentale de communautés microbiennes dans des digesteurs anaérobies


  • Résumé

    La digestion anaérobie est un procédé biologique effectué par un réseau complexe et synergique de communautés microbiennes permettant la dégradation de matière organiques comme les déchets agricoles ou les effluents de station d’épuration en biogaz, un gaz valorisable en énergie. Les mécanismes influençant les communautés microbiennes au cœur de ce procédé mais aussi dans la nature restent incompris du fait de la faible compréhension de leur dynamique. Les objectifs de ce projet visent à donc développer un système de digestion anaérobie permettant de mieux comprendre la dynamique de l’assemblage des communautés microbiennes. Ainsi un nouveau procédé de réacteurs en continu dont les fonctions d’alimentation de soutirage et de dégazage sont automatisées a été développé. L’automatisation et le multiplexage des réacteurs permettent la manipulation de 30 réacteurs en continu en parallèle. Outre l’automatisation ce système, de nombreux paramètres sont flexibles comme le taux de charge (une fois par minute jusqu’à une condition batch), le volume de réacteur (50 à 200mL), la température (pièce – 55°C), mais aussi l’utilisation du système en aérobie ou l’implémentation d’autres outils comme des LEDs pour les cultures phototrophes. Capable de quantifier précisément la performance d’un écosystème méthanogène, ce système nous a permis de tester la structure et la performance d’écosystèmes méthanogènes mis en mélanges et testés de façon individuelle. En mélangeant des écosystèmes méthanogènes différents, la diversité des Archées a augmenté transitoirement. Une corrélation est d’ailleurs observée entre la diversité de ces communautés mélangées et leur performance méthanogène, seulement à même diversité les communautés individuelles ont un meilleur fonctionnement. L’assemblage de certaines communautés mélangées a pourtant permis une meilleure production de méthane que les communautés individuelles, ce qui suggère le développement d’interactions spécifiques de ces communautés. De façon nouvelle par rapport à la littérature, la majorité des communautés bactériennes individuelles sont retrouvées dans les communautés mélangées. Soit contrairement à l’idée d’une sélection d’une communauté plus adaptée ou plus fonctionnelle, ici la majorité des communautés se sont implantées. Ces expériences suggèrent qu’un paramètre tel que la fonctionnalité d’un bioprocédé peut-être amélioré par bioaugmentation.


  • Résumé

    Anaerobic digestion is a biological process carried out by a complex and synergistic network of microbial communities allowing the degradation of organic matter such as agricultural waste or effluents from wastewater treatment plants, into biogas, a gas recoverable into energy. The mechanisms influencing microbial communities at the heart of this process but also in nature remain misunderstood because of a low understanding of their dynamics. The objectives of this project are therefore to develop an anaerobic digestion system to better understand the dynamics of microbial community assembly. Thus, a new continuous reactor process has been developed with automated feeding, biomass wasting and degassing functions. Automation and multiplexing of reactors allows for the continuous parallel manipulation of 30 reactors in parallel. In addition to the automation, many parameters are versatile, such as the substrate loading (once a minute up to batch conditions), the reactor volume (50 to 200 mL), the temperature (room to 55°C), but also the use of the aerobic system or the implementation of other tools such as LEDs for phototrophic cultures. Capable of accurately quantifying the performance of a methanogenic ecosystem, this system has enabled us to test the structure and the performance of five different methanogenic ecosystems that have been mixed and tested individually. By mixing different methanogenic ecosystems the Archaea diversity has increased transiently. Besides, a correlation is observed between the diversity of mixed communities and their methanogenic performance; yet the individual communities have a better functioning at the same level of diversity. Interestingly, the mixture of some communities has allowed for better methane production than individual communities, suggesting the development of specific interactions in these communities. In a novel way compared to the literature and that the majority of individual bacterial communities are found in mixed communities. Contrary to the idea of selecting a more adapted or functional community, here the majority of communities have settled. These experiments suggest that a parameter such as the functionality of a bioprocess can be improved by bioaugmentation.


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