Projets

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METHADIAG | Développement d'outils de diagnostic rapide du fonctionnement des méthaniseurs

ANR - CE43 - Bioéconomie : chimie, biotechnologie, procédés et approches système, de la biomasse aux usages
Aide de l'ANR : 376 690 euros
Début et durée du projet scientifique : Décembre 2022 - 42 Mois

La digestion anaérobie (DA) est un processus de dégradation de la matière organique effectué par un réseau complexe de micro-organismes qui produit du biogaz riche en méthane, qui peut être converti en énergie. La performance de ce procédé dépend de la structure de la communauté microbienne et des interactions entre les espèces, qui elles-mêmes évoluent en fonction des conditions opératoires des digesteurs.
Actuellement, le contrôle de la stabilité du procédé de DA repose sur le suivi d'indicateurs physicochimiques. Cependant, ceux-ci ne permettent pas une identification précise de l'origine des perturbations, car ils ne peuvent pas décrire en détail la dynamique biologique des digesteurs. Cela représente une réelle difficulté pour les opérateurs car les digesteurs peuvent dysfonctionner pour de nombreuses raisons.

La communauté microbienne dans les digesteurs étant très sensible aux altérations des conditions opérationnelles, notre hypothèse de recherche est que la surveillance de la communauté microbienne peut être utilisée comme une méthode plus efficace que les indicateurs physico-chimiques classiques pour évaluer le fonctionnement des digesteurs.
L’utilisation de techniques à haut débit comme le métabarcoding 16S ou la métabolomique pourrait être un outil très puissant pour réaliser cette surveillance. Cependant, jusqu'à récemment, l'utilisation de ces techniques était limitée à certaines études de laboratoire, car elles étaient coûteuses, chronophages et car les résultats n'étaient pas faciles à utiliser à des fins opérationnelles. Les évolutions méthodologiques permettent désormais des approches plus abordables et plus rapides, capables de saisir les évolutions microbiennes et moléculaires des digesteurs anaérobies dans l’objectif de développer des outils de diagnostic rapide.

Le projet Methadiag s’inscrit dans ce cadre et comprendra trois objectifs principaux: (i) Dans un premier temps, nous élaborerons des protocoles analytiques spécifiques qui permettraient de mettre en œuvre les techniques à haut débit précédemment citées directement sur des échantillons issus d’exploitations industrielles (tâche 1a) (ii) Dans un second temps, nous évaluerons dans quelle mesure les digesteurs anaérobies sont comparables au niveau microbien et moléculaire et des outils de diagnostic communs peuvent être établis (tâche 1b) (iii) Enfin, à l’aide d’une combinaison des données obtenues à partir de digesteurs industriels et d’expériences complémentaires en laboratoire, nous identifierons un ensemble de biomarqueurs microbiens et moléculaires pour surveiller le fonctionnement des digesteurs grâce aux outils de diagnostic rapide développés (tâche 2).

Des résultats sont attendus à la fois sur le plan académique et opérationnel. Sur le plan académique, les principales innovations seront 1) le développement de méthodes analytiques pour permettre la manipulation sur site pour réaliser du métabarcoding 16S et des analyses métabolomiques, 2) l'amélioration de la compréhension générale du fonctionnement des digesteurs anaérobies à l’échelle industrielle, et 3) la conception de pipelines d'analyse statistique de données haut-débit pour la découverte de bioindicateurs qui pourraient être utilisés à des fins de diagnostic prédictif. D'un point de vue opérationnel, les apports attendus du projet sont 1) une liste de bioindicateurs précoces de dysfonctionnement qui pourront être utilisés pour évaluer la stabilité des digesteurs anaérobies, et 2) une interface utilisateur graphique conviviale pour visualiser et interpréter le bon fonctionnement des digesteurs anaérobies.

D’une manière générale l’originalité du projet réside dans la conception et la mise en place d'outils transférables pour un diagnostic rapide du bon fonctionnement des digesteurs anaérobies. Les résultats permettront une meilleure surveillance des digesteurs anaérobies dans l’objectif d'accroitre l'efficacité du procédé de la DA et d’obtenir un niveau de durabilité plus élevé.

Coordinateur : Laurent Mazéas (INRAE - PROSE)

Partenaires 
● Institute of Environmental Assessment and Water Research - Chemometrics for Environmental Omics
● Suez 

STABILICS | Nouvelles perspectives dans les déterminants de la stabilité des bioprocédés anaérobies en couplant des approches multi-omiques et statistiques

ANR - CE43 - Bioéconomie : chimie, biotechnologie, procédés et approches système, de la biomasse aux usages
Aide de l'ANR : 220 703 euros
Début et durée du projet scientifique : Février 2020 - 42 Mois

La digestion anaérobie (DA) est un processus microbiologique de dégradation de la matière organique qui produit un biogaz riche en méthane qui peut être converti en énergie électrique et thermique. Il est couramment utilisé pour traiter différents types de déchets organiques à l'échelle industrielle à l'aide de digesteurs anaérobies. Cependant, ce bioprocédé n'est pas totalement maîtrisé et présente encore un potentiel d'amélioration important.

L'une des principales limites de la DA est la grande vulnérabilité des communautés microbiennes aux modifications des conditions de fonctionnement des digesteurs. Cela peut avoir pour conséquence une production de méthane instable. Contrôler la stabilité de la communauté microbienne de la DA n'est pas une tâche triviale. Les connaissances sur les déterminants de la stabilité des processus microbiens anaérobies (c'est-à-dire les conditions et la succession d'événements microbiens permettant de maintenir l'équilibre après une perturbation ou, au contraire, générant un effet domino conduisant à une défaillance du procédé) sont toujours très incomplètes. Les nouvelles approches à haut débit ‘omiques’ permettent désormais de générer des données d’une richesse sans précédent pour décrire le microbiome de la DA. La métagénomique, la métatranscriptomique, la métaprotéomique et la métabolomique permettent de décrire une communauté microbienne à différents niveaux (gènes, expression génique et production de métabolites). Des méthodes appropriées sont nécessaires pour analyser ces données de taille très importante afin de mieux comprendre les réseaux des processus fonctionnels de la DA. De nouvelles méthodes statistiques sont peu à peu développées pour exploiter et intégrer pleinement ces ensembles de données complexes.

Dans ce contexte, l'objectif de STABILICS est de réaliser la première série d'expériences longitudinales multi-omiques, avec une profondeur d'échantillonnage sans précédent, dans des digesteurs anaérobies soumis à des paramètres environnementaux constants ou à différentes perturbations modèles créées par l'ajout de NaCl. Des expériences en réacteurs semi-continus de laboratoire seront mises en place et suivi sur le long terme (plus d'un an). Deux niveaux d'analyse seront appliqués. 1) Une analyse à fréquence élevée de différents descripteurs de l'activité du microbiome, à l’aide d’analyses métabolomiques non ciblées afin de caractériser les voies de dégradation et à l’aide de métabarcoding de l'ARN et de l'ADN pour cibler les microorganismes actifs et présents. 2) Une analyse en profondeur du fonctionnement du microbiome avec à la fois des approches métagénomique et métatranscriptomique sur des échantillons et des conditions sélectionnés. Ces ensembles de données sans précédent seront analysés de manière approfondie et intégrés à l’aide de méthodes statistiques de pointe. Par exemple, des méthodes multivariées de réduction de dimension seront utilisées pour intégrer les données omiques et sélectionner des variables d’intérêt. Une méthode analytique spécifique sera élaborée pour traiter les données longitudinales. Les objectifs de ce projet interdisciplinaire seront 1) d’évaluer à différents niveaux omiques la dynamique du microbiome de la DA dans des expériences répétées et sur le long terme, 2) de décrire la succession d’événements qui, en cas de perturbation, conduit à un déséquilibre du microbiome et du digesteur 3) de proposer un cadre analytique original pour des études longitudinales multi-omiques tenant compte de la temporalité et 4) de fournir des connaissances génériques permettant de mieux comprendre les déterminants de la stabilité de la DA.

Coordinateur : Olivier Chapleur (INRAE - PROSE)

Partenaires
● Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture - Hydrosystèmes et Bioprocédés (Irstea - HBAN)
● Institut de Mathématiques de Toulouse (IMT)
● Laboratoire de Chimie Moléculaire (LCM)
● University of Melbourne - Melbourne Integrated Genomics

BIOTUBA | Tuba électro-microbien pour l’optimisation des bioprocédés de traitement des eaux 

ANR - DS02 - Energie, propre, sûre et efficace
Aide de l'ANR : 667 479 euros
Début et durée du projet scientifique : Décembre 2017 - 48 Mois

Dans les zones urbaines, la part de l’énergie électrique consommée pour l’approvisionnement en eau et l’assainissement peut atteindre jusqu’à 18%. Au sein des stations d’épuration, l’aération des bassins biologiques pour le traitement de la matière organique et azotée demeure le principal poste de consommation énergétique (jusqu’à 75% de la dépense électrique générale de la station). Aussi, le développement d’alternatives aux procédés conventionnels est essentiel afin de réduire l’impact environnemental de ces unités de traitement. Dans cet objectif, les procédés électro-microbiens représentent une technologie d’avenir pour le traitement et la valorisation des déchets, basée sur la catalyse de réactions électrochimiques par des biofilms microbiens à la surface d’électrodes. Parmi ces technologies, le tuba électro-microbien (BIOTUBA) se distingue des autres par une mise en œuvre plus simple qui permet d’envisager à court-terme son implantation dans les filières existantes. Il consiste à mettre une bio-anode et une (bio-)cathode en court-circuit en disposant un matériau conducteur le long d’un gradient d’oxydo-réduction. Les performances de dégradation de la matière organique s’avèrent améliorées et des économies d’énergie substantielles peuvent être envisagées du fait de la diminution des besoins en aération. De plus, l’implantation de cette technologie pourrait répondre à d’autres enjeux du traitement des eaux (contrôle de procédés, réduction de la production de boues et traitement des micropolluants).

Un certain nombre de verrous scientifiques et techniques restent à lever avant d’envisager l’implantation de telles technologies à l’échelle industrielle. Le coût des électrodes, due aux matériaux utilisés pour leur conception, est notamment un frein au changement d’échelle. De plus, des recherches doivent être menées afin de permettre la compréhension et d’envisager l’optimisation des tuba électro-microbiens en précisant à la fois les processus électrochimiques et microbiens régissant les performances de cette technologie.

Le projet BIOTUBA a pour objectif de lever les verrous scientifiques et techniques liés à l’implantation de la technologie de tuba électro-microbien à l’échelle industrielle par le biais d’une approche transdisciplinaire et multi-échelle. Le programme scientifique du projet est divisé en trois tâches principales : (i) Réalisation d’études à l’échelle laboratoire pour comprendre et optimiser le fonctionnement du BIOTUBA en se focalisant sur l’utilisation de matériaux recyclés à faible coûts et de l’application à des matrices réelles (WP1) ; (ii) Développement et l’utilisation des outils de modélisation pour le dimensionnement des électrodes le constituant et de leurs implantations dans les réacteurs industriels (WP2) ; (iii) Caractérisation de l’ensemble des impacts énergétiques et environnementaux liés à l’implantation de cette technologie par le couplage d’une analyse de cycle de vie et d’expérimentations à l’échelle semi-industrielle (WP3).

Le développement du BIOTUBA sera basé sur la connaissance précise des mécanismes électrochimiques et biologiques mis-en-jeu afin d’optimiser son fonctionnement et le maintien de ses performances au cours du temps. La mise en œuvre à l’échelle semi-industrielle permettra de caractériser son comportement et les impacts induits à une échelle représentative et ainsi de valider les choix technologiques. La valorisation économique sera supportée par 6TMIC, partenaire du projet.

Le projet rassemble un institut de recherche appliquée (Irstea-HBAN), un laboratoire universitaire (LGC), l’entreprise industrielle publique de gestion et traitement des eaux résiduaires urbaines de l’agglomération parisienne (SIAAP) et une PME spécialisée dans le développement de procédés innovants et le transfert de technologie (6TMIC).

Coordinateur : Yannick Fayolle (INRAE - PROSE)

Partenaires
● Laboratoire de génie chimique (LGC)
● 6TMIC
● Syndicat Interdépartemental pour l'Assainissement de l'Agglomération Parisienne - Direction Développement et Prospective (SIAAP - DDP) 
● Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture - Hydrosystèmes et Bioprocédés (Irstea - HBAN)

VIRAME | Caractérisation in situ du contenu génomique de virus d’archées méthanogènes au sein de bioprocédés de fermentation de déchets organiques

ANR - DS02 - Energie, propre, sûre et efficace
Aide de l'ANR : 248 383 euros
Début et durée du projet scientifique : Octobre 2017 - 48 Mois

Coordinatrice : Ariane Bize (INRAE - PROSE)

Les déchets organiques solides sont une ressource prometteuse pour la production de biocarburants et synthons par des bioprocédés anaérobies. Cependant, leur matrice complexe, hétérogène et variable dans le temps rend leur valorisation complexe : la bioraffinerie des déchets est en phase de recherche exploratoire. Pour orienter les voies de fermentation et établir des procédés stables, de nouveaux leviers opérationnels sont nécessaires. Aussi, les virus de microorganismes pourraient servir de base au développement d’outils de biocontrôle ciblant spécifiquement certains groupes fonctionnels microbiens. Dans d’autres domaines (médical, agro-alimentaire, épuration des eaux usées), des virus sont en effet déjà utilisés ou considérés dans une optique de biocontrôle. Concernant la bioraffinerie des déchets, les archées méthanogènes nuisent à la production de molécules à plus haute valeur ajoutée que le méthane mais leurs virus sont encore peu connus, si bien que le développement de telles stratégies de biocontrôle n’est aujourd’hui pas possible.

Le projet VIRAME vise donc à caractériser in situ le contenu génomique de virus d’archées méthanogènes dans les bioprocédés anaérobies de valorisation des déchets organiques. Etablir le lien entre un virus et l’identité de son hôte au sein d’écosystèmes complexes est un défi puisqu’ils ne partagent pas toujours de gènes. Pour lever ce verrou, le lien entre voies de méthanogénèse actives, archées les catalysant et contenu génomique des virus infectant ces archées sera établi grâce à une approche intégrée originale couplant des techniques de pointe en écologie moléculaire (méta-omiques, isotopie, en particulier « Stable isotope probing » SIP) et des analyses in silico classiques (génomique comparative) et spécifiques (analyse de CRISPR spacers, de provirus, composition en kmers). Le contenu génomique de virus d’archées méthanogènes sera étudié au sein de microcosmes répliqués et des métaviromes de méthaniseurs de déchets seront également comparés à ceux des microcosmes. La diversité des familles virales et les gènes dont les fonctions sont liées au cycle de vie des virus et à l’écophysiologie des archées méthanogènes seront notamment examinés.

Sur le plan expérimental, des conditions spécifiques et l’utilisation de divers substrats carbonés, marqués ou non au 13C, permettront d’activer sélectivement différentes voies de méthanogenèse puis d’identifier virus et cellules ayant incorporé du 13C. Des inocula issus de méthaniseurs industriels seront employés. L’équipe d’origine du coordinateur a déjà accumulé et publié des données mettant en évidence l’incorporation de substrats marqués au 13C par les archées méthanogènes, dans des microcosmes inoculés avec de telles biomasses et similaires à ceux qui seront établis pour ce projet.

L’approche intégrée originale, incluant le SIP appliqué aux acides nucléiques viraux, contribue à lever un verrou important en écologie microbienne, établir le lien entre un virus et son hôte. Les connaissances générées sur la diversité génomique des virus d’archées méthanogènes participeront de plus à une meilleure compréhension de l’histoire évolutive des virus et leurs hôtes. Les résultats seront d’intérêt général pour l’amélioration des bioprocédés de méthanisation, en plein essor : les virus des méthanogènes ont certainement un effet important sur les flux de matières et sur la dynamique des méthanogènes, un groupe fonctionnel clé. Concernant les applications de bioraffinerie, le projet VIRAME vise à proposer des stratégies innovantes de biocontrôle des archées méthanogènes par les virus, en s’inspirant des domaines les plus avancés (médecine) et en imaginant, grâce aux résultats du projet, une transposition au domaine des bioprocédés. Le méthane étant un gaz à effet de serre puissant, le biocontrôle des méthanogènes offre de larges perspectives d’application (ex : mitigation des émissions de méthane par les ruminants) et peut avoir un fort impact environnemental.

Partenaires
● Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture - Hydrosystèmes et Bioprocédés (Irstea - HBAN)
● Laboratoire Microorganismes : Génome et Environnement - Biologie moléculaire du gène chez les extrêmophiles (LMGE - BMGE)

> Site web du projet virame.inrae.fr

> Exploring short k-mer profiles in cells and mobile elements from Archaea highlights the major influence of both the ecological niche and evolutionary history. Bize A, Midoux C, Mariadassou , Schbath S, Forterre P, Da Cunha V. BMC Genomics 22, 186 (2021). DOI: 10.1186/s12864-021-07471-y

THERMOMIC | Un cadre thermodynamique pour la modélisation de la croissance microbienne et de la dynamique des communautés

ANR - DS10 - Défi des autres savoirs
Aide de l'ANR : 550 539 euros
Début et durée du projet scientifique : Novembre 2016 - 48 Mois

Coordinateur : Théodore Bouchez (INRAE - PROSE)

L'activité des microbes constitue un des principaux moteurs biogéochimiques de la biosphère. Pour faire face aux défis environnementaux, il faut apprendre à mobiliser l'activité des communautés microbiennes et faire émerger de nouveaux services écosystémiques visant à préserver les grands équilibres écologiques. Ainsi, les déchets organiques ou les eaux usées peuvent être envisagées comme des ressources à valoriser par des procédés microbiens tels que la méthanisation ou par de futures "bioraffineries environnementales". Pour concevoir et optimiser ces procédés, il est nécessaire de disposer de modèles permettant d'expliciter mathématiquement les relations causales entre les paramètres opératoires du procédé, les pressions de sélections induites, la structure des communautés microbiennes qui en résultent et les fonctions de biotransformation qui s'expriment in fine.

Aujourd'hui, la modélisation des dynamiques microbiennes repose sur un grand nombre de lois phénoménologiques (Monod, Contois, Haldane…). Couramment utilisées en biotechnologie industrielle, où des agents microbiens sont mis en œuvre en conditions confinées (culture pure en général), ces équations montrent leurs limites en culture mixte pour les applications environnementales en système ouvert. Ainsi, la méconnaissance des principes qui déterminent la croissance microbienne limite fondamentalement notre compréhension et notre capacité à prédire les dynamiques microbiennes, freinant de nombreuses applications environnementales et biotechnologiques. Il est aujourd'hui nécessaire de proposer de nouvelles abstractions afin de construire un cadre de modélisation plus générique et prédictif. C'est précisément l'objectif du projet THERMOMIC.

Des études thermodynamiques nous ont donné les clés nécessaires à une compréhension plus profonde du phénomène de croissance microbienne. Le bilan énergétique par unité de biomasse formée a été déterminé avec précision et une méthode générique de prédiction de la stœchiométrie de la croissance a été validée. Toutefois, le lien entre le bilan matière/énergie et la dynamique de la croissance microbienne est demeuré longtemps incompris. Nous avons réalisé une avancée récente dans ce domaine en proposant une théorie thermodynamique de la croissance microbienne. Nous avons montré que des systèmes constitués de microbes au contact de molécules pouvaient être assimilés à des ensembles décrits par les lois de la physique statistique. Une équation de croissance a été proposée, qui lie un flux (le taux de croissance des microbes) à une force (la densité d'énergie dans le milieu). L'analyse mathématique des équations obtenues a conduit à des prédictions originales qui ont pu être confortées par des données expérimentales, permettant la publication de ce travail pourtant atypique dans une revue réputée d'écologie microbienne (Desmond-Le Quéméner & Bouchez, 2014; ISME-J, IF = 9,3). Nous pensons que cette relation flux/force pourrait constituer un socle générique pour de nouvelles approches de modélisation : c'est l'hypothèse de travail du projet THERMOMIC.

Ainsi, nous proposons de mobiliser des compétences d'écologie microbienne, de physique statistique, de mathématiques appliquées et d'ingénierie environnementale dans le cadre d'une approche transdisciplinaire pour (WP1) solidifier les bases de notre théorie de la croissance microbienne, (WP2) caractériser mathématiquement le comportement des modèles thermodynamiques et (WP3) évaluer leurs aptitudes prédictives dans le cadre d'applications en traitement d'eaux usées et de déchets. THERMOMIC ambitionne de produire un corpus de connaissances génériques, explicitement formulées du point de vue mathématique, étayées par des simulations et des données expérimentales, afin de refonder les bases de notre compréhension de la dynamique des systèmes microbiens et de proposer des modèles aux capacités prédictives étendues, permettant le développement de nouvelles applications biotechnologiques.

Partenaires
● Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture - Hydrosystèmes et Bioprocédés (Irstea - HBAN)
● Institut national de la recherche agronomique - Laboratoire de Biotechnologie de l'environnement  (INRA - LBE)
● Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP)

> Consistent microbial dynamics and functional community patterns derived from first principles. The ISME Journal (2019), 13:263-276. H. Delattre, E. Desmond Le Quéméner, C. Duquennoi, A. Filali, T. Bouchez. DOI: 10.1038/s41396-018-0272-0

Fait marquant 2020 du département TRANSFORM

DIGESTOMIC | Elaboration de nouvelles stratégies opératoires pour lever les verrous de la digestion anaérobie et élargir ses domaines d’application à l’aide d’approches méta-omiques

ANR - DS0204
Aide de l'ANR : 446 565 euros
Début et durée du projet scientifique : Octobre 2016 - 42 Mois

Coordinateur : Laurent Mazéas (INRAE - PROSE)

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 oeuvre 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. Dans le cas où aucun co-substrat n’est disponible une baisse de la température peut permettre de diminuer les coûts de fonctionnement associés à la gestion du digesteur. La variation de la température sera la troisième perturbation traitée dans ce projet.
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.

Partenaires
● Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture - Hydrosystèmes et Bioprocédés (Irstea - HBAN)
● Institut national des sciences et industries du vivant et de l'environnement (AgroParisTech)
● Suez

> Conférence 15th IWA World Conference on Anaerobic Digestion (17-20 Octobre 2017, Beijing, China). Low temperature sewage sludge anaerobic digestion: full-scale proof of interest and study of microbial adaptation. D. Conteau, O. Franchi M.

N2OTrack | Analyse et réduction des émissions de N2O dans les procédés biologiques de traitement des effluents

ANR - DS0104 - Innovations scientifiques et technologiques pour anticiper ou remédier les risques environnementaux
Aide de l'ANR : 479 359 euros
Début et durée du projet scientifique : Octobre 2015 - 48 Mois

Coordinateur : Mathieu Spérandio - Toulouse Biotechnology Institute (TBI) - Institut national des sciences appliquées (INSA) Toulouse
Partenaire PROSE : Ahlem Filali

Le protoxyde d'azote (N2O), a un potentiel de réchauffement global environ 300 fois plus important que le dioxyde de carbone et contribue entre 6-8% aux émissions de gaz à effet de serre (GES) anthropiques mondiales exprimées en équivalents CO2. Ce projet a pour objectif de quantifier, modéliser et réduire les émissions de N2O, issu des procédés de traitement des eaux et plus particulièrement des processus de nitrification et dénitrification impliqués dans l’élimination des pollutions azotées. L’enjeu est de réduire ces émissions dans les filières actuelles et les filières futures qui viseront également une réduction des consommations d’énergie, ceci en généralisant l’usage de modèles, d’équipements et d’instrumentations adéquats.

Le projet rassemble 6 partenaires : trois laboratoires universitaires (LISBP-Toulouse, IEES-Paris, Ecobio-Rennes1), un institut de recherche appliquée (Irstea), l’entreprise publique de gestion des eaux de la plus grande ville française (SIAAP-Paris, Etablissement Public à Caractère Industriel et Commercial), ainsi qu’une PME fournisseur de techniques pour le traitement des eaux (Société BIOTRADE).

Le projet s'appuie sur le développement récent de nouveaux modèles et instrumentations (capteurs N2O en phase liquide et gaz, isotopométrie, rapports NO/N2O, modèles multi-processus) pour quantifier les productions et différencier les voies de production du N2O sur des sites réels et en laboratoire.

Plusieurs campagnes de mesure seront réalisées en particulier sur des systèmes encore peu référencés comme les biofiltres. Le programme de travail inclue des campagnes de mesure des émissions à grande échelle sur des durées longues pour intégrer les variations saisonnières.
Un programme de modélisation et d’évaluation des stratégies de minimisation du N2O est ensuite proposé. Les modèles les plus récents dont la structure sera validée par des expériences en laboratoire seront calibrés par les mesures sur site réel, systèmes à boues activées et biofiltres. Dans le projet une attention particulière sera portée aux systèmes intensifs à biofilm pour lesquels les modèles intègreront des processus de transfert et réactions.

Les modèles et les mesures obtenus permettront de réaliser des estimations plus réalistes des émissions globales de N2O issues de la dépollution des eaux afin d’améliorer les estimations du GIEC. A l’échelle Française, grâce aux bases de données des stations existantes, le potentiel de réduction des émissions par une meilleure conduite des installations et des instrumentations appropriées sera estimé.

Avec pour objectif simultané de minimiser la consommation d’énergie, des outils de contrôle seront démontrés à une échelle suffisamment représentative pour apporter de nouveaux produits commercialisables. L’objectif est de développer des outils permettant un monitoring précis des émissions et des technologies de contrôle innovantes pour remédier à ces émissions en intégrant les nouvelles contraintes des systèmes de gestion des eaux usées de demain (valorisation énergie et matière).

En donnant un nouvel enjeu aux systèmes de contrôle des stations (réduction des émissions de GES), ce projet devrait catalyser le marché des capteurs dans ce secteur. Les retombées en termes de conception et de gestion des procédés sont potentiellement nombreuses, au niveau des technologies de transfert de l’oxygène, de l’instrumentation et du contrôle dans les stations d’épuration.

Partenaires
● Institut d'Ecologie et d'Environnement de Paris - Université Pierre et Marie Curie (IEESP-UPMC)
● UMR 6553 Ecosystèmes, Biodiversité, Evolution - Université de Rennes 1 (Ecobio)
● Syndicat Interdépartemental pour l'Assainissement de l'Agglomération Parisienne - Direction du Développement et de la Prospective (SIAAP-DDP)
● BIOTRADE
● Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP)
● IRSTEA Institut de Rercherche en Science et Technologie pour l'environnement et l'agriculture

> Considering the plug-flow behavior of the gas phase in nitrifying BAF models significantly improves the prediction of N2O emissions. Fiat, J., Filali, A., Fayolle, Y., Bernier, J., Rocher, V., Sperandio, M., Gillot, S. (2019). Water Research, 156:337-346. DOI: 10.1016/j.watres.2019.03.047

Site web du projet n2otrack.insa-toulouse.fr

Fait marquant 2020 du département TRANSFORM

> Voir les autres productions scientifiques

SETIER - Suivi et Evaluation des capTeurs low-cost pour les Installations de traitement des Eaux usées : qualité des Eaux et énErgie

Financement : Agence de l'eau Rhône Méditerranée Corse

Coordinateur : Rémi Clément, INRAE REVERSAAL
Partenaire PROSE : Sylvain Moreau

L’objectif du projet consiste à identifier de nouveaux capteurs low-cost et évaluer leurs caractéristiques métrologiques dans le but de définir leur limite et leur stratégie d’utilisation pour le domaine du traitement et de la valorisation des eaux résiduaires.

Réduction de l’empreinte climatique des procédés de biofiltration - Caractérisation in situ des émissions de protoxyde d’azote (N2O) lors du traitement biologique de l’azote par biofiltration et développement de stratégies de réduction par simulation numérique

MOCOPEE - Modélisation Contrôle et Optimisation des Procédés d'Epuration des Eaux

Coordinatrice : Ahlem Filali

Profilage des communautés microbiennes lors de l’optimisation de la co-digestion de boues de stations d’épuration et de biodéchets

MOCOPEE - Modélisation Contrôle et Optimisation des Procédés d'Epuration des Eaux

Partenaire PROSE : Ariane Bize

METHYDIS Méthode d’évaluation de l’Etat HYdrique des Installations de Stockage des déchets non dangereux.

Appel à projets Inter-Carnot - Risques naturels et environnementaux

Partenaire PROSE : Sylvain Moreau

L’objectif de ce projet est de développer un outil de calcul numérique de l’évolution de l’état hydrique d’une ISDND à partir de l’évaluation de la teneur en eau des déchets stockés et du bilan hydrique établi tout au long du suivi de l’installation. L’outil proposé s’adresse aux gestionnaires des ISDND et plus particulièrement aux PME et collectivités ainsi qu’aux services de l’Etat en charge de l’instruction et du contrôle des ISDND.

En savoir plus sur METHYDIS

DeepOmics - Digital Environmental Engineering Platform for OMICS data

Coordinatrice : Ariane Bize

Un entrepôt de données des procédés de biotechnologies environnementales.

Easy16S

Coordinateur : Cédric Midoux

Une application web conviviale pour l'exploration statistique et la visualisation de données de séquençage métagénomique d'amplicons.

METAPROGRAMME

BETTER (Bioéconomie pour les territoires urbains)

RÉBUS - Réseau de recherche pour une bioraffinerie urbaine soutenable

Coordinateur : Christian Duquennoi | Co-coordinatrice : Sandrine Costa (UMR MoISA, département ECOSOCIO)