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17 déc.

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Systèmes microbiens complexes environnementaux

Contexte et démarche générale


Dans un contexte de développement durable, les effluents et déchets organiques peuvent être épurés et/ou valorisés dans des filières comprenant généralement un traitement biologique, aérobie (boues activées, compostage, etc) ou anaérobie (digestion anaérobie ou méthanisation). Ces traitements biologiques sont rendus possibles grâce à la présence de systèmes microbiens complexes (SMC), c'est-à-dire des agrégats principalement constituées de cellules et de Substances ExoPolymériques (SEP) telles que les protéines, les sucres ou les acides nucléiques. Par ailleurs, au niveau industriel, certains agrégats microbiens vont se développer spontanément et parallèlement à la production, constituant un risque technique et/ou sanitaire. Ces agrégats sont aujourd'hui majoritairement traités à l'aide de biocides, mais la recherche de solutions éco-compatibles devient de plus en plus urgente.

La thématique consacrée aux systèmes microbiens complexes environnementaux s'intéresse donc à deux principaux types d'agrégat : 
 -         Les SMC épuratifs, impliqués dans les procédés de traitement des effluents et des déchets organiques, et en particulier les flocs et les granules permettant l'épuration de l'eau ;
-          Les SMC indésirables, tels que les biofilms générant des contraintes de fonctionnement au niveau industriel (colmatage, arrêt de la production), ou les boues d'épuration.


La maîtrise des bioprocédés de dépollution ou des traitements anti-biofilms, et la valorisation optimale des déchets biologiques, qui pouvent constituer un gisement de matière organique d'intérêt, impose une meilleure connaissance de la structure et de l'activité de ces agrégats. Trois approches sont ainsi développées au sein de notre laboratoire pour l'étude des SMC environnementaux :
1- L'étude de la structure des agrégats en s'attachant particulièrement à la matrice de SEP et aux cellules, sans oublier la prise en compte de la fraction inorganique ;
2- L'étude des fonctions des agrégats, qu'ils s'agissent d'activités enzymatiques hydrolytiques ou de synthèse (production de polysaccharides, de PolyHydroxyAlcanoates - PHA, etc...) ;
3- Le développement de nouveaux procédés de réduction ou de valorisation des agrégats biologiques, s'inscrivant dans un contexte de développement durable.  

Ces approches sont conduites dans une démarche intégrée permettant la compréhension des interactions microbiennes, en considérant plusieurs niveaux d'analyse (voir ci-contre).




Les approches pour l'étude des systèmes microbiens complexes



1- Structure des SMC

Le premier axe de nos recherches concerne l'analyse des SEP (protéines et polysaccharides) responsables de la cohésion des différents types agrégats biologiques. La complexité du milieu étudié nous a conduits à mettre au point une stratégie d'extraction des polymères (Ras et al, 2008). La caractérisation des protéines extraites à partir de divers agrégats biologiques obtenus en bioréacteurs de laboratoire ou prélevés sur sites industriels a ensuite été réalisée. Cette approche a permis de corréler la présence de certaines familles de protéines à la structure des agrégats.


2- Fonctions des SMC

Compte tenu des conjonctures actuelles liées aux énergies renouvelables, la deuxième approche consiste à étudier des mécanismes impliqués dans la réduction de la production de boue. En effet, les procédés permettant de convertir la boue en méthane présentent un intérêt industriel mais ne permettent qu'un abattement au mieux de 50 % de la matière organique. Ainsi, dans cette approche, notre action de recherche est focalisée sur l'identification de nouvelles enzymes ou la sélection de bactéries capables d'hydrolyser la matière organique difficilement biodégradable. Parallèlement, nous étudions de nouvelles filières de valorisation des boues biologiques.

Ainsi, dans le cadre du projet ValorCap, les boues ont été considérées en tant que ressources contrôlées de carbone, d'azote et de phosphore pouvant être utilisées comme intrants agricoles. Dans le cadre du projet ANR Valoria, les boues ont été utilisées pour produire des bioplastiques (PHA).

Démarche adoptée pour valoriser les boues dans le cadre du projet ANR Valoria.


3- Réduction et/ou valorisation des SMC

Au travers de la troisième approche, on se propose de mettre au point des solutions biologiques capables d'inhiber la formation de biofilms ou de déstructurer des biofilms établis, ainsi que de réduire des SMC résiduels tels que les boues.
 
Dans le cadre du projet ANR BioFime, la caractérisation des SEP de biofilms papetiers couplée à l'optimisation de l'accessibilité des enzymes au sein des biofilms a permis la mise au point, à l'échelle laboratoire, de solutions alternatives à l'utilisation de produits chimiques nocifs pour l'environnement, en combinant traitement enzymatique et traitement hydrodynamique.

 


Date de mise à jour 7 mai 2013


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