Analyse de la compétition microbienne entre bactéries autotrophes et\ud hétérotrophes au sein d'un biofilm éliminant l'azote

Abstract

Les procédés à biomasse fixée sont utilisés pour la dégradation simultanée des pollutions carbonées et azotées. Cette biodégradation est basée sur le fonctionnement d’un consortium bactérien complexe, composé de bactéries autotrophes et hétérotrophes, associées sous forme de biofilm. La coexistence de ces deux populations résulte d’un phénomène de compétition pour leurs substrats communs (oxygène et azote) et pour l’espace. Elle est à l’origine de nombreux disfonctionnements des réacteurs, et les mécanismes qui la gouvernent ne sont aujourd’hui pas clairement identifiés. A cet effet, trois aspects ont été abordés dans ce travail : (i) le développement d’un modèle de croissance, (ii) la caractérisation du détachement et son influence sur la compétition, (iii) et l’analyse de l’impact des conditions de croissance sur la compétition. \ud \ud Les principaux résultats sont les suivants :\ud  Un modèle 1-D qualitatif, dont la structure permet de prédire les dynamiques de populations et les performances épuratoires du système biofilm, a été développé. Ce modèle est multi-espèces et multi-substrats. Un détachement surfacique continu est initialement considéré.\ud  Une étude expérimentale du détachement a été réalisée. Différents biofilms ont été développés sous des conditions environnementales variées et contrastées, au sein de réacteurs de Couette-Taylor. L’érosion a été redéfinie comme le couplage entre un détachement surfacique continu de petites particules et des évènements volumiques dynamiques détachant de larges particules. \ud  A l’aide du modèle, différents modes de détachement, en termes de fractions d’épaisseurs détachées et de fréquences d’évènements, ont été testés. Le mode de détachement fixe la croissance hétérotrophique à la surface du biofilm, et par conséquent la disponibilité de l’oxygène dans les couches internes du biofilm. Si l’oxygène est limitant, la croissance des bactéries autotrophes est limitée voire impossible. Le mode de détachement, associé au degré de limitation en oxygène, gouverne donc directement les capacités de coexistence entre les différentes populations fonctionnelles.\ud  Différentes observations expérimentales, réalisées sous des conditions de limitation en oxygène, démontrent cependant que l’avantage accordé par le modèle à la croissance hétérotrophique est surestimé. L’hypothèse d’une dénitrification au sein de clusters anoxiques denses, présents dans la zone aérobie du biofilm, a été émise. Des phénomènes de « détachement spécifique des bactéries hétérotrophes » et de « convection particulaire » ont été évalués à l’aide du modèle. Ces deux processus, en limitant l’activité exogène hétérotrophique à la surface du biofilm, ont un impact favorable sur la croissance autotrophique.\ud \ud Une stratification stricte des fonctionnalités est régulièrement prédite par les modèles 1-D qui considèrent une représentation simplifiée des phénomènes biologiques et physiques. Cette étude soulève finalement l’interrogation suivante : Cette stratification stricte ne fausse-t-elle pas la prédiction du résultat de la compétition entre bactéries autotrophes et hétérotrophes sous certaines conditions ? --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Biofim reactors are used in wastewater treatment for simultaneous COD and nitrogen removal. This biological process is based on a complex bacterial consortium, composed of both autotrophic and heterotrophic bacteria, associated in “biofilm”. The coexistence of these populations results of a microbial competition for both the substrates and the space. This microbial competition potentially leads to process failures as decreases of the removal rates, and thus its mechanisms must be understood. In this way, the objectives of this work were: (i) to develop a model of biofilm growth, (ii) to characterize the detachment mode and its impact on the competition, (iii) and to analyze the impact of the environmental growth conditions on the competition.\ud The main results of this work are the following:\ud  A 1-D biofilm model, since the structure allows predicting population dynamics and the biofilm reactor performances, was developed. This is a multi-species and multi-substrates model, which assumes a continuous surface detachment.\ud  An experimental study of the detachment mode was performed. Different biofilms were grown under different various and contrasted growth conditions in Couette-Taylor Reactors. Erosion process was defined as a continuous surface detachment of small particles coupled with dynamic volume events detaching large particles.\ud  Using the model, different detachment modes in terms of fraction of biofilm thickness detached and in terms of frequency were tested. The dynamic volume events determine the heterotrophic growth at the biofilm surface, and thus the availability of oxygen inside the biofilm. If oxygen is limiting in the inner zone of the biofilm, the autotrophic growth is limited or impossible. By impacting the oxygen availability, the dynamic volume events consequently govern the result of the autotrophic-heterotrophic competition. \ud  Under oxygen-limiting conditions, the comparison between numerical and experimental results shows that a simple 1-D model overpredicts the advantage of the heterotrophic growth. The impact of more complex processes on autotrophic-heterotrophic coexistence was thus evaluated. Specific heterotrophic detachment and particulate convection were shown to favour the autotrophic growth and thus the autotrophic-heterotrophic coexistence.\ud \ud Finally, 1-D models considering simple biological and physical processes leads to a strict stratification of the functionalities. The following question is highlighted by this work: Is the strict stratification of the microbial functionalities predicted by simple 1-D model can potentially change the result of the autotrophic-heterotrophic competition? \ud \u