UR Hydrosystèmes et Bioprocédés Procédés anaérobies de stabilisation et de valorisation des déchets non dangereux Département Ecotechnologies Thème de recherche « Technologies et procédés pour l’eau et les déchets » Théodore Bouchez UR Hydrosystèmes et Bioprocédés theodore.bouchez@cemagref.fr

Objectifs et démarche Comprendre et exploiter les fonctions microbiennes dans les bioprocédés Comprendre Des outils scientifiques pointus… …pour renouveler la vision de l’ingénieur Partenariat académique (CEA-Génoscope, Institut Curie, INRA-Jouy,…) Optimiser l’exploitation Question opérationnelle Elaborer et évaluer des solutions Partenariat industriel (Veolia-Env, Suez-Env, SAUR,…) Interface Modélisation / Mécanique des fluides / Métrologie Génie microbiologique Microbiologie moléculaire Biogéochimie analytique et isotopique

Exemple 1 : stratégies de gestion durable des déchets stockés Modes d’élimination des déchets ménagers Déchets “ultimes” au sens de la loi de 1992, contenant 50% de biodégradables Données Ademe, 2008

Le stockage-bioactif : principe Circuit de recirculation des lixiviats Circuit d’extraction du biogaz Unité de valorisation du biogaz Surveillance de la qualité des eaux souterraines Modifié à partir de http://www.wm.com/WM/environmental/Bioreactor/bioreactorbrochure.pdf

Nitrification du lixiviat avant recirculation Recirculation de lixiviat nitrifié NO3- N2 Collecte de biogaz Dénitrification in situ (anaérobie) NH4+ NO3- Nitrification ex situ (aérobie) Massif de déchets

Approches expérimentales déployées dans le cadre du projet sur la recirculation de lixiviats nitrifiés Caractérisation du devenir des nitrates (Mazéas et al., Rapid Com. in Mass Spec., 2008) Confirmation à l’échelle du pilote de laboratoire (Vigneron et al. Waste Manag., 2007) Evaluation des impacts sur installation industrielle (Tallec et al., Waste Manag., 2009)

Rentrer dans la boîte noire ? Exemple 2 : De la compréhension à l’ingénierie métabolique des communautés microbiennes de bioprocédés Sous Sous - - syst syst è è me chimique me chimique Sous Sous - - syst syst è è me biologique me biologique Mati Mati è è re/ re/ * é é nergie nergie * * Substrats Substrats Entrée ADN ADN * * ARN ARN * * Prot Prot é é ine ine * * Sortie Communaut Communaut é é Biocatalyse Biocatalyse Marquage Marquage isotopique isotopique Produits Produits * É É nergie nergie /Mati /Mati è è re re * Rentrer dans la boîte noire ?

La méthanisation de la cellulose Cellulose = principale source d’énergie chimique renouvelable sur terre, constituant 40 à 70% de la matière organique d’une ordure ménagère Macromolécule : Cellulose Qui fait quoi ? Microorganismes Oligomères : Oligosaccharides Solubilisation, hydrolyse H2 CH3COOH Acétogenèse CO2 Acides organiques : AGV Acidogenèse Alcools (éthanol) Oxidation syntrophique Homoacetogenèse CH4 / CO2 Méthanogenèse acétoclaste CH4 Méthanogenèse hydrogénotrophe

Etude des microbes fonctionnels dans les bioprocédés Microcosmes Incorporation de 13C au sein des groupes microbiens fonctionnels Injection de substrats marqués au 13C ADN ADN 12C Gradient de densité ADN 13C Information génétique fonctionnelle

Analyse FISH des groupes présumés cellulolytiques Li et al., Env. Microbiol. 2009 UCL284 Acetivibrio Cellulose fiber

Traçage des réseaux métaboliques microbiens par SIMSISH Day 42 of incubation 127I- 13C14N- 32S- All biomass Hybridized cells (Methanosarcinaceae) Enriched cells 39.7 % in 13C after SIMSISH 13C enrichment Li et al., Env. Microbiol. 2008 11

INRA-LBE, PAPPSO, Suez-Env, IRD Vers une ingénierie métabolique des communautés microbiennes de bioprocédés Exemple du biomimétisme : projet ANR-Bioénergie DANAC 2009-2012 (Godon et al., soumis) INRA-LBE, PAPPSO, Suez-Env, IRD