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La cinétique de lactivité microbienne Maîtrise BPE Que nous apprend la biologie par rapport à la démarche des ingénieurs ? Quest ce qui détermine lintensité

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Présentation au sujet: "La cinétique de lactivité microbienne Maîtrise BPE Que nous apprend la biologie par rapport à la démarche des ingénieurs ? Quest ce qui détermine lintensité"— Transcription de la présentation:

1 La cinétique de lactivité microbienne Maîtrise BPE Que nous apprend la biologie par rapport à la démarche des ingénieurs ? Quest ce qui détermine lintensité du métabolisme vivant en milieu naturel ?

2 Le modèle de Streeter & Phelps, 1925 dL/dt = - k 1.L la charge organique est décomposée selon une cinétique dordre 1 dO 2 /dt = - k 1.O 2 + kr (O 2 sat-O 2 ) la teneur en oxygène dépend de léquilibre entre consommation et réaération L = matière organique biodégradable exprimée en oxygène (DBO5) k1 = 0.04 h -1 kr = 0.02 h -1 rivière débit 20m3/s prof 3m larg 50m Rejet hab non traités O 2 sat

3 Le modèle de Streeter & Phelps, 1925 (2) k1 = 0.04 h -1 kr = 0.02 h -1 rivière débit m3/s prof 3m larg 50m Rejet hab hab hab non traités hab hab hab Q = 50 m3/s

4 La Seine en aval de Paris Achères

5 Mécanismes de lactivité organotrophe Croissance sur substrat simple (monosaccharide, acide aminé,… Lentrée du substrat organique est létape limitante Processus enzymatique: Cinétique de Michaelis-Menten-Monod S + E SE E + P v3 << v1 et v2 << S v = k3. SE k1. S. E = k2. SE or E = - SE doù k1. S. ( - SE) = k2. SE et SE = k1. S. / (k2 + k1.S) v = k3.. S / ( S + k1/k2 ) ou v = vmax. S / ( S + Ks) si vmax = k3. Ks = k1 / k2 k3 k1 k2 S dB/dt = µ max S/(S+Ks). B

6 dB/dt = µ max S/(S+Ks) B dS/dt = - µ max /Y S/(S+Ks) B Croissance en culture Culture batch B S Etat stationnaire: µ = dil S = Ks / ((µmax/dil)-1) B = 1/Y (So – S) Culture continue dB/dt = µ max S/(S+Ks) B - dil. B dS/dt = - µ max /Y S/(S+Ks) B + dil. (So-S) So SBSB Q V dil = Q/V B S So dil max = µ max So/(So+Ks)

7 Croissance sur substrats naturels La matière organique naturelle est surtout constituée de macromolécules polymériques: protéines, polysaccharides, lignine, lipides. Sous forme polymérique la matière organique n'est utilisable qu'après hydrolyse exoenzymatique

8 Certains organismes (ex. les levures) nont pas dexoenzymes: ils sont tributaires dun apport de substrats directs monomériques La Bière Comment faire fermenter des polysaccharides? maltage et brassage (utilisation des enzymes hydrolytiques du germe de céréale) moisissage (sake: utilisation des capacités hydrolytiques des champignons) ensalivement (Am. latine, bières de maïs: utilisation des amylases salivaires)

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10 Modèle HSB HSB hydrol. exoenz.uptake bact. CO 2 mortalité respiration. croissance dH/dt = App - e max H/(H+Kh). B dS/dt = e max. H/(H+Kh). B - b max S/(S+Ks). B dB/dt = Y.b max. S/(S+Ks). B – kd. B Etat stationnaire: µ = kd S = Ks / ((µmax/kd)-1) B = Y/kd. App

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12 Mer du Nord, gC/m 2 /an

13 Application HSB en rivière polluée dH/dt = App - e max H/(H+Kh). B dS/dt = e max. H/(H+Kh). B - b max S/(S+Ks). B dB/dt = b max /Y. S/(S+Ks). B – kd. B O2O2 Corg Act organotrophe

14 Application HSB en rivière polluée (2) dH/dt = App - e max H/(H+Kh). B dS/dt = e max. H/(H+Kh). B - b max S/(S+Ks). B dB/dt = AppB + b max /Y. S/(S+Ks). B – kd. B O2O2 Corg Act organotrophe

15 La Seine en aval de Paris (suite) Achères

16 La Seine en aval de Paris (suite) Achères nitrates ammonium

17 Mécanismes de lactivité chemolithotrophe Exemple de la nitrification NH 4 + B nitros CO 2 mortalité respiration. croissance NO 2 - B nitrat CO 2 NO 3 - O2O2 O2O2 dNH 4 /dt = App - nitros max. NH 4 /(NH 4 +K NH4 ). O 2 /(O 2 +K O2nit ). B nitros dB nitros /dt = Y nit.nitros max. NH 4 /(NH 4 +K NH4 ). O 2 /(O 2 +K O2nit ). B nitros – kd. B nitros dNO 2 /dt = nitros max. NH 4 /(NH 4 +K NH4 ). O 2 /(O 2 +K O2nit ). B nitros - nitrat max. NO 2 /(NO 2 +K NO2 ). O 2 /(O 2 +K O2nat ). B nitrat dB nitros /dt = Y nat.nitrat max. NO 2 /(NO 2 +K NO2 ). O 2 /(O 2 +K O2nat ). B nitrat – kd. B nitrat

18 Cinétique de la nitrification (suite)

19 La Seine en aval de Paris (suite) Achères nitrates ammonium

20 La Seine en aval de Paris (suite) Achères nitrates ammonium

21 Mécanismes de lactivité phototrophe (production primaire) Représentation schématique des processus physiologiques élémentaires impliqués dans la dynamique algale (modèle AQUAPHY, Lancelot et al., J.Mar.Syst. 2: ) NH 4 ou NO 3 SiO 2 F =biomasse fonctionnelle croissance photos & resp. CO 2 SR PO 4 excr

22 réactions claires (génération dATP et de pouvoir réducteur cellulaire NAD(P)H) réactions sombres (fixation du CO 2 ) relation de Vollenweider photosynthèse = kmax Chla kmax : taux maximum de photosynthèse : 1-10 µgC/µgChla.h, selon t°C I : intensité lumineuse (µE/cm²/s) Ik : seuil de saturation lumineuse Chla : teneur en chlorophylle a, mesure de la biomasse algale relation de Platt photosynthèse = kmax (1-exp(- I / kmax)) Chla pente initiale de la relation photos-lum, indpdt de la t°C (réaction claires limitantes) kmax = fn(t°C) (réactions sombres limitantes) Photosynthèse relation de kmax à la température : bien représentée par une sigmoïde : f(t°C)= exp - (t°C-topt)² / dti² Ik

23 Prélèvement de nutriments La croissance ne sidentifie pas à la photosynthèse : elle doit s'accompagner du prélèvement de nutriments inorganiques: N, P, Si (diatomées) dans les proportions : C:N:P:Si (molaires) de 106:17:1: 20 prélèvement de N = pmax B N : concentration ambiante du nutriment inorganique concerné B : biomasse algale en terme de composants fonctionnels (F) Kn : constante de demi-saturation pmax : vitesse maximale de prélèvement

24 Croissance algale: limitation par la lumière et les nutriments croissance = µmax S / (S+Ks). N / (N+Kn). B N : concentration ambiante du nutriment inorganique le plus limitante (minimum du terme michaelien) ou quota intracellulaire en nutriment le plus limitant S : disponibilité intra cellulaire de précurseurs carbonés (quota cellulaire énergétique) B : biomasse algale en terme de composants fonctionnels (F) Kn : constante de demi-saturation µmax : taux maximum de croissance cellulaire Le pool de S est déterminé par le bilan des processus de photosynthèse, de croissance, de respiration, de synthèse et de catabolisme des réserves carbonées (R). En présence dun excédent de S, des substrats carbonés sont excrétés. respiration: maintenance et coût énérgétique de la croissance excrétion: pertes passives de monomères issus de la photosynthèse processus actif

25 Lintensité de la lumière et la disponibilité en nutriments déterminent ainsi la composition cellulaire (F,S,R et rapports C/N, C/Chla)


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