Vers une compréhension des mécanismes de perturbation de la digestion anaérobie à l'aide d'approches multi-omiques

par Laetitia Cardona

Projet de thèse en Sciences de l'environnement

Sous la direction de Laurent Mazeas et de Olivier Chapleur.

Thèses en préparation à Paris, Institut agronomique, vétérinaire et forestier de France , dans le cadre de École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2015-....) , en partenariat avec HBAN - Hydrosystèmes et bioprocédés - UR IRSTEA Antony (laboratoire) depuis le 02-01-2017 .


  • Résumé

    La digestion anaérobie est un procédé de dégradation de la matière organique qui produit du biogaz riche en méthane pouvant être valorisé sous forme d'énergie électrique et thermique. Dans un contexte de préservation de l'environnement et de recherche d'efficacité énergétique croissante la méthanisation suscite un regain d'intérêt car elle permet à la fois de convertir les déchets en une ressource énergétique et également de valoriser le résidu organique en épandage. Le nombre de gisements de matière organique résiduelle est par ailleurs sans cesse en croissance, faisant de la digestion anaérobie une source potentielle d'énergie importante. Les retours d'expérience montrent que leur gestion repose essentiellement sur le savoir-faire de l'exploitant. De plus, la dynamique des populations et des industries provoque des changements soudains et imprévisibles de quantité et de composition des déchets à traiter. Jusqu'à récemment, la méthanisation était considérée comme présentant une trop grande inertie et n'étant pas assez bien maîtrisée pour faire face à ces changements et présenter la flexibilité souhaitée. Une telle situation est principalement due à l'absence de stratégie opérationnelle reposant sur la gestion du moteur microbien qui joue un rôle clé lors de la digestion anaérobie car son fonctionnement reste encore largement méconnu. De nos jours les méthodologies omiques (métagénomique, métatranscriptomique, metaprotéomique, métabolomique) permettent de faire un diagnostic fonctionnel du microbiome permettant (i) d'élaborer de réelles stratégies de gestion du moteur microbien de la digestion anaérobie et (ii) d'identifier des indicateurs de bonne performance et de détection précoce de dysfonctionnements du procédé. Afin de répondre à ces objectifs il est important non seulement d'étudier le fonctionnement de la communauté microbienne lors d'un fonctionnement optimal des digesteurs mais aussi en cas de perturbation. Dans le cadre de ce projet les approches omiques seront mises en œuvre pour étudier l'effet de perturbations connues pour pouvoir conduire à des dysfonctionnements de la digestion anaérobie. L'analyse par fusion des données omiques permettra d'extraire les corrélations pertinentes entre les jeux de données afin d'identifier les causes de variation de performance et de proposer des stratégies opérationnelles permettant d'y remédier. L'effet de fortes concentrations en azote ammoniacal, connues pour pouvoir inhiber le processus de digestion anaérobie des boues de station d'épuration en raison de leurs faibles rapports C/N, sera la première perturbation étudiée. L'introduction d'un co-substrat pourrait améliorer de façon significative la rentabilité économique des installations de méthanisation en augmentant les rendements de production de biogaz et en limitant les risques d'inhibition par l'ammoniaque. Cependant, la co-digestion doit faire face à des difficultés opérationnelles en raison de la variabilité de la composition du co-substrat pouvant conduire à une instabilité des digesteurs. Ainsi une meilleure connaissance concernant la façon dont la communauté microbienne réagit au changement de composition du substrat est nécessaire. L'introduction d'un co-substrat de composition variable sera pour cela la seconde perturbation étudiée. Les informations sur le fonctionnement de la communauté microbienne obtenues en cas de dysfonctionnement seront particulièrement intéressantes car c'est dans ces situations que des métabolites d'intérêt tel que l'éthanol ou l'acide lactique peuvent s'accumuler. Ces résultats pourraient ainsi permettre le développement de procédés permettant la production de biocarburant et de molécules plateforme utilisées en chimie verte.

  • Titre traduit

    Multi-omics methodologies to decipher the mechanisms of perturbation of the anaerobic digestion bioprocess


  • Résumé

    Anaerobic digestion is a process of degradation of the organic matter which, when it goes to its term, produces biogas rich in methane that can be valued in the form of electrical and thermal energy. In a context of environmental protection and research for increasing energy efficiency, methanization arouses a renewed interest because it allows at the same time to convert waste in an energy resource and an organic amendment that can be used for manure spreading on soil. The number of organic matter deposits is ceaselessly growing, making anaerobic digestion an important potential source of energy. Experience feedbacks show that digesters remain little instrumented and that their operation relies on the know-how of the developer. Furthermore, the dynamics of the populations and the industries cause sudden and unpredictable changes of quantity and composition of waste to treat. Methanization is still considered not being well enough mastered to face these changes and present the desired flexibility. Such situation is mainly due to the limitation of microbial-based management of anaerobic reactors as the microbiome which is the key player of the AD process still remains largely unknown. Nowadays omic microbial ecology methodologies (metagenomic, metatranscriptomic, metaproteomic, metabolomic) allow to perform functional microbiome diagnostics which could help (i) to build real microbial management strategy of anaerobic digestion and (ii) to set microbial indicators of optimal performance and warning indicators of process failure. In order to achieve these goals it is important not only to study the microbial community functioning during steady state but also their reaction to operational and environmental disturbance. During this PhD in the framework of the ANR DIGESTOMIC project we want to apply the omic microbial ecology methodologies to different key known perturbations that could lead to some process failure during sewage sludge anaerobic digestion. The analysis by fusion of these omics data will allow extracting the relevant correlations between the various types of data to favour the identification of the causes of the variations of performance and proposing strategies of successful management. In a first step, the effect of high ammonia concentration will be studied as it is the most common failure cause due to the low C/N ratio of sewage sludge. The introduction of additional wastes to conduct the co-digestion could improve significantly plant's economic feasibility by enhancing biogas production and limit the ammonia inhibition risk. However, this practice is facing one major challenge on an operational point of view due to the difficulties caused by the co-substrate composition variation that can lead to digester instability. More knowledge is needed about how microbial population is affected by the addition of a co-substrate, in terms of diversity, stability and yields. The co-substrate introduction will then be the second perturbation that will be addressed during this project. Besides, the information obtained in the cases of situations of dysfunctions will be particularly interesting because it is in these situations that metabolites of interest such as ethanol and lactic acid can accumulate. These results could allow developing strategies targeted to widen the fields of application of the process in the production of biofuels or synthons used in green chemistry. Metaomic diagnostic should be helpful to build some new approaches to produce high value products.