Caractérisation de la fraction organique et minérale de la matrice extracellulaire issue de boues biologiques

Les bioréacteurs permettent d effectuer un traitement biologique des eaux usées grâce aux boues biologiques. Les boues sont des agrégats formés par des microorganismes inclus dans une matrice extracellulaire (MEC). La MEC, formée d une fraction organique et minérale, est considérée comme la maison du biofilm. L étude de la MEC nécessite son extraction des boues. Nous avons analysé l impact de la méthode d extraction sur les PEC (polymères extracellulaires) issues de différentes boues biologiques par chromatographie d exclusion stérique (HPSEC) couplée à une détection UV. L impact de la méthode d extraction sur la fraction minérale des MEC issues de boues activées a aussi été mis en évidence. La microscopie électronique à balayage a montré la présence d une fraction minérale particulaire. Nous avons ensuite caractérisé la fraction protéique et substances humiques like des PEC par HPSEC couplée la fluorimètrie. Cette méthode départage les protéines-like (large gamme de masse moléculaire (MM)) des substances humiques-like (MM<6kDa). Nous avons caractérisé spécifiquement la fraction protéique des PEC par électrophorèse dénaturante (SDS-PAGE) couplée à des colorations. La coloration PAS (acide périodique et réactif de Schiff) a permis de montrer la présence de glycoprotéines (MM de 100kDa). Pour les PEC issus de boues granulaires anaérobies, la coloration au bleu alcian pH 2.5 et pH 1 a montré la présence de protéoglycane et de proéoglycane sulfaté. La présence de ces hétéroprotéines a été confirmée par une immunodétection des motifs glucidiques (via des lectines).Bioreactors allow making a wastewater biological treatment with biological sludge. Sludges are aggregates formed with microorganisms embbeded in an extracellular matrix (ECM). ECM which contains an organic and mineral fraction, is considered as the "house" of the biofilm. The study of ECM requires its extraction from sludge. We analyzed the impact of the extraction method on the PEC (extracellular polymers) from various biological sludge by steric exclusion chromatography (HPSEC) coupled with an UV detection. The impact of the extraction method on the mineral fraction of ECM from activated sludges was showed too. The scanning electronic microscopy showed the presence of a solid mineral fraction. We then characterized the protein fraction and the humic-like substances of the PEC by HPSEC coupled with fluorimetry. This method decides between proteins-like (wide range of molecular mass (MM)) and substances humiques-like (MM< 6kDa). We characterized specifically the protein fraction of the PEC with electrophoresis (SDS-PAGE) coupled with various stains. The PAS stain (periodic acid and Schiff reagent) allowed to show the presence of glycoproteins (MM : 100kDa). For the PEC from anaerobic granular sludge, the alcian blue staining at pH 2.5 and pH 1 showed the presence of proteoglycan and sulphated proeoglycane respectively. The presence of these heteroprotein was confirmed by an immunodetection test on the glucidic motives (using lectins).LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceTogoFRT

Apport des mesures rhéologiques à l'étude des biomasses épuratoires granulaires anaérobies

Les travaux portent sur la caractérisation rhéologique des boues granulaires issues de bioréacteurs anaérobies. Après l optimisation des conditions de mesure, nous avons montré que le comportement rhéologique des boues granulaires anaérobies est non newtonien de type rhéofluidifiant, faiblement thixotrope. La viscosité limite est proposée comme un paramètre supplémentaire de caractérisation physico-chimique de la boue. La sensibilité de la viscosité limite aux propriétés de la boue (MES, charge de surface, granulométrie ) semble en faire un outil potentiellement capable de rendre compte, quelquesoit le réacteur utilisé, de l évolution de la boue au cours du fonctionnement du bioréacteur. De plus, l importance des interactions quantitatives et qualitatives entres granules peut être indirectement étudiée. Enfin, ce travail a montré la contribution des théories DLVO et Divalent Cation Bridging (DCB) dans les théories de granulation des boues granulaires anaérobies.The experimentations have been carried out on the rheological characterisation of granular sludges from anaerobic bioreactors. After optimisation of measurement protocol, anaerobic granular sludges display a non newtonian rheological behaviour with shear thinning properties, slightly thixotropic. Limit viscosity was proposed as additional parameter for the physico-chemical characterization of sludge. The limit viscosity is sensitive to the sludges properties and may be considered as a global parameter able to describe the sludge evolution, during anaerobic bioreactor operation and whatever the bioreactor type used. In addition, the importance of the quantitative and qualitative interactions between granules can be indirectly studied. Lastly, this work showed the contribution of DLVO and Divalent Cation Bridging (DCB) theories in the granulation theories of anaerobic granular sludge.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF

Interactions entre des exopolymères extraits de biomasses épuratoires et les métaux

Le procédé par boues activées est couramment utilisé dans le traitement des eaux usées. La présence d éléments traces métalliques a été mise en évidence dans les boues. L élimination des boues par épandage agricole peut entraîner une pollution des sols Les boues contiennent majoritairement des exopolymères (PEC) qui jouent un rôle dans la sorption d ions métalliques. L objectif de cette thèse est d approfondir nos connaissances sur les interactions PEC/métaux et d identifier des fonctions chimiques mises en cause dans la biosorption des métaux par les PEC à pH 7. Pour ce faire, des liens entre caractérisation et capacités de biosorption des PEC ont pu être faits et ont donné lieu à la rédaction de sept articles. Parmi les résultats obtenus, on retiendra que la caractérisation des PEC a permis de déterminer deux valeurs de pKa apparents. Les fonctions carboxyliques et phosphoriques ont été identifiées comme ayant une implication importante dans les capacités de biosorption des PEC.The activated sludge process is commonly used for wastewater treatment. Since the presence of metals has been highlighted in the sludges, their elimination by land treatment can provocate soil pollution...The sludges are mainly composed of extracellular substances (EPS) which play a key role in the ionic metallic sorption. The objective of this work is to better understand the interactions EPS/metals and thus to identify what chemical groups are implied in metal biosorption by EPS at pH 7. Relations between characterization and the biosorption capacities of EPS have been done and have led to the redaction of seven articles. Among the results obtained, we notice that the EPS characterization has allowed two apparent pKa values to be determined. The carboxylic and phosphoric groups have been identified as having an implication in the biosorption capacities of EPS.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF

Characterisation of the mineral fraction in extracellular polymeric substances (EPS) from activated sludges extracted by eight different methods

International audienceThis work characterises the mineral fraction of EPS extracts obtained using eight different methods from two activated sludges by total mineral content determination, Fourier Transformed Infrared spectrometry and with scanning electron microscopy coupled with an EDX probe. Despite EPS dialysis, the EPS extracts displayed a mineral fraction between 2% and 40% of the EPS dry weight depending on the extraction method used. The main mineral elements found in the EPS extract were Ca, Mg, Na, K, Al, Fe, Mn, P, Si and S, but their contents were strongly affected by the extraction method used. Some of the minerals are associated with the organic molecules within the EPS. The presence of mineral particles of various compositions and structures (clays, quartz or carbonate) in the EPS extract with a wide range in size was clearly demonstrated. Moreover, the association of metallic elements with the mineral particles in the EPS extract was highlighted

Influence of extraction method on size exclusion chromatography fingerprints of EPS from wastewater sludges

International audienc

Qualitative characterization of the protein fraction of exopolymeric substances (EPS) extracted with EDTA from sludge.

International audienceExopolymeric substances (EPS) were extracted by EDTA from activated and anaerobic granular sludge. Due to the presence of EDTA in EPS extract, interferences were pointed out for the characterization of EPS by means of the colorimetric methods and fluorescence spectroscopy. Other methods have been investigated to characterize the EPS protein fraction. Size exclusion chromatography (SEC), performed at a fluorescence excitation-emission matrix of 221/360 nm (tryptophan protein-like substances) for detection, was suitable and allowed obtaining a fingerprint of the protein-like substance fractions and determining apparent molecular weight (MW). Polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) was performed under either native or denaturing conditions. Various staining applications after EPS migration are effective in obtaining a protein (silver staining) or glycoprotein (PAS staining) fingerprint or MW distribution. SEC and PAGE are both appropriate techniques for the qualitative characterization of protein fractions from EPS extracted by EDTA and moreover differentiate EPS according to sludge origin and type

Approche des propriétés rhéologiques de suspensions biologiques floculées

Le procédé biologique de traitement des eaux usées par boues activées est le plus communément utilisé. Le bon fonctionnement de ce type de procédé repose en grande partie sur l'aptitude à la séparation entre la boue et l'effluent traité. La bonne conduite de tels procédés de dépollution nécessite une caractérisation de la qualité de la boue à travers la mesure de divers paramètres physico-chimiques. L'objectif des travaux menés au cours de cette thèse était de tester l'utilisation potentielle de paramètres rhéologiques en tant qu'indicateurs de la qualité de la boue sous des conditions usuelles de fonctionnement des bassins d'aération de boues activées (MES < 10 g.L-1). Pour ce faire, des protocoles de mesures en cisaillement simple adaptés aux types de boues étudiés ont été testés puis optimisés et des paramètres rhéologiques découlant de ces tests ont été présentés. Ainsi, les principaux paramètres retenus pour la détermination des caractéristiques rhéologiques des boues sont la viscosité à l'équilibre (æeq), la viscosité limite (æÆ) et la surface d'hystérèse réduite (rHa) dans le cas particulier de boues présentant un développement filamenteux excessif.Les mesures rhéologiques se révèlent particulièrement sensibles à la présence de filaments en excès au sein de la biocénose des boues activées, ainsi, le paramètre rHa permet de détecter l'apparition des bulking filamenteux de façon plus précoce qu'avec des paramètres usuels de sédimentabilité et de quantifier la présence de flocs filamenteux, une valeur de rHa = 10 Pa.s-1.mL-1 a été proposée comme valeur seuil au delà de laquelle le foisonnement filamenteux est considéré comme devenant conséquent.Le paramètre æeq s'est révélé être sensible à des changements de conditions environnementales telles des variations de pH et de force ionique de la suspension de boue ou bien à des apports de toxiques, indiquant par là même la sensibilité de telles mesures lors de modifications structurelles des flocs ou bien de variations de charges de surface portées par les flocsLIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF

Biosorption properties of extracellular polymeric substances (EPS) towards Cd, Cu and Pb for different pH values.

International audienceThe aim of this study was to assess the influence of pH on the metal biosorption of extracellular polymeric substances (EPS) extracted from two different activated sludges called A and B. The composition and physico-chemical characteristics of EPS were determined. The biosorption capacities of the EPS were examined at pH 4, 6, 7 and 8 successively with three metals Cu, Pb and Cd using differential pulse polarography (DPP) as an investigation tool and Ruzic's model was used to produce polarographic titration curves. Two apparent pKa were obtained, the first were 6.6 (EPS A) and 5.7 (EPS B), attributed to carboxylic and phosphoric groups whereas the second was 8.7 for EPS A and 9.4 for B and these were attributed to phenolic and amino functional groups. Whatever the EPS and the metal considered, the conditional binding constant did not show significant differences in the strength of complex formed between the EPS and metals. But for all metals, the number of EPS binding sites was significantly lowered by a decrease in the pH of the medium. At pH 4, the metal biosorption capacity of EPS is very low. At pH 6, the number of EPS binding sites increased in the following order: Pb>Cu>Cd whereas at pH 7 and 8, this order changed and was: Cu>Pb>>Cd. Simulations of the speciation states of Cu, Pb and Cd at the different pH values in ultra-pure water (25 degrees C, ionic strength 0.045 M) were performed with MINEQL 4.5 software and indicated the presence of hydroxylated forms and sometimes solid forms for Pb and Cu. But the polarographic titration curves revealed precipitation of Cu only at the end of the experiments at pH 8

Role of natural organic matter in the mobility of aluminium ions in rivers in the Limousin region (France)

In order to investigate, in the Limousin (France), the role of organic matter in aluminium mobility in soil towards rivers and its chemistry in water, three different A1 horizons of an acidic brown-earth soil planted with three different types of trees (chestnuts (Castanea sativa) over 100 years old, young Douglas fir (Pseudotsuga menzesii), and old Douglas fir) were selected, as well as five points on major rivers (Vienne, Vézère, Gartempe, Grande Creuse) in the area. The aluminium content of the rivers in the Limousin was evaluated. Characterisation of horizons, speciation of aluminium, and laboratory experiments on aluminium release from soil columns pointed out the probable origin of aluminium in the rivers and the role of organic matter in its mobility. This study showed that many rivers exhibit aluminium concentrations higher than 110 ppb, very low mineralization and an acid pH. The high concentration in aluminium may be due to the presence of coniferous forests on the river catchment. In an area preserved from human activity, the natural organic matter prevents aluminium precipitation despite the pH conditions (close to $5.5-6$) which favour insoluble forms. On the contrary, when some physico-chemical conditions of the river change (increase in pH and supply of organic matter due to slight human or agricultural pollution) the aluminium may be removed, probably by precipitation with the organic matter.Rôle de la matière organique naturelle dans la mobilité de l'aluminium dans les cours d'eau en Limousin (France). Pour étudier le rôle de la matière organique, en Limousin (France), sur la mobilité de l'aluminium des sols vers les cours d'eau et sa chimie dans l'eau, les trois horizons A1 d'un sol brun acide planté de trois forêts différentes (châtaigniers (Castanea sativa), jeunes Douglas (Pseudotsuga menzesii), Douglas centenaires) et cinq points sur quatre des principales rivières (Vienne, Vézère, Gartempe, Grande Creuse) de la région ont été sélectionnés. L'état de contamination par l'aluminium de plusieurs rivières de la région Limousin est étudié. L'origine probable de l'aluminium dans les cours d'eau et le rôle de la matière organique dans la mobilité de l'aluminium sont montrés et étudiés à partir de la caractérisation des sols, de la spéciation de l'aluminium, et d'expériences de laboratoire réalisées principalement en colonne de sols. Certaines rivières présentent une concentration en aluminium supérieure à 110 ppb, une très faible minéralisation et un pH acide. La forte concentration en aluminium est probablement due à la présence de nombreuses surfaces boisées en conifères sur le bassin versant. Dans les zones préservées des pollutions domestiques ou agricoles, la matière organique présente empêche la précipitation et la disparition de l'aluminium malgré des pH défavorables aux formes solubles. A l'opposé, quand les conditions physico-chimiques des eaux changent sous l'effet d'une pollution domestique ou agricole diffuse (apport de matière organique, augmentation du pH) l'aluminium peut disparaître, probablement par des phénomènes de coagulation floculation

Composition, extraction et rôle dans la fixation des éléments métalliques des polymères extracellulaires issus de biomasses épuratoires granulaires anaérobies

Les boues granulaires anaérobies, utilisées principalement pour le traitement des eaux usées industrielles, sont considérées comme des biofilms particulaires. Les polymères extracellulaires (PEC) représentent une fraction importante des biofilms. Ils ont divers rôles aussi bien structurels que de protection pour les microorganismes, mais peu de données sont disponibles dans la littérature sur les PEC extraits à partir des biomasses épuratoires granulaires anaérobies. Il existe de nombreuses méthodes d extraction des PEC, à la fois physiques et chimiques, mais aucune méthode de référence n a été développée. Le but de ce travail a été d identifier l influence de plusieurs méthodes d extraction sur la composition et les propriétés de sorption des PEC issus de boues granulaires anaérobies. Les techniques chimiques permettent d extraire de plus grandes quantités de PEC. Toutefois, certains réactifs chimiques utilisés se retrouvent dans les extraits et peuvent affecter la caractérisation des PEC et les propriétés de sorption des extraits. La composition des extraits de PEC diffère en fonction de l origine de la boue et de la méthode d extraction utilisée. Une fraction minérale sous forme dissoute, associé à la fraction organique, mais également sous forme de particules solides a été mise en évidence dans les extraits. La présence de ces minéraux peut également avoir une influence sur les propriétés de sorption des échantillons de PEC vis-à-vis des éléments métalliques. De nombreux paramètres sont donc à prendre en compte dans l étude des propriétés des PEC.Anaerobic granular sludges, mainly used to treat industrial wastewaters, are considered as particular biofilms. Extracellular polymeric substances (EPS) represent a large part of the biofilms, where they have different functions such as structural or protective roles. Few data are available in the literature concerning the EPS extracted from anaerobic granular sludges. Various physical and chemical methods are used to extract EPS from biomasses, but no standard technique was developed. The aim of this work was to identify how several extraction techniques can affect the composition and the metal binding properties of the EPS from anaerobic granular sludges. Chemical methods lead to the extraction of larger amounts of EPS. However, some chemicals, used to extract EPS, were detected in the EPS samples. They may affect the characterization of the EPS and the binding properties of the extracts. The composition of the EPS differs depending on the origin of the sludge and the extraction method used. A mineral fraction, associated with the organic fraction in the extracts, was highlighted. This mineral fraction was found as soluble ions and as solid particles. These mineral elements can affect the metal binding properties of the EPS extracts. Thus, various parameters have to be taken into account in the studies of the EPS properties.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF