DS0204 -

Elaboration de nouvelles stratégies opératoires pour lever les verrous de la digestion anaérobie et élargir ses domaines d’application à l’aide d’approches méta-omiques – DIGESTOMIC

Elaboration de nouvelles stratégies opératoires pour lever les verrous de la digestion anaérobie et élargir ses domaines d’application à l’aide d’approches méta-omiques

La digestion anaérobie est un processus de dégradation de la matière organique qui produit de l'énergie renouvelable. Les retours d'expérience montrent que le fonctionnement des digesteurs repose sur le savoir-faire des exploitants. Cette situation est due à l’absence de gestion microbienne des digesteurs car le microbiome reste encore méconnu. Les approches méta-omiques devraient permettre de proposer de nouvelles stratégies pour surmonter les verrous techniques de la digestion anaérobie.

Enjeux et objectifs

Le principal verrou scientifique pour élaborer des stratégies opérationnelles est le manque de connaissances sur le fonctionnement de la communauté microbienne responsable de la digestion anaérobie, qui reste encore plus ou moins une «boîte noire». Ainsi, nous souhaitons utiliser dans ce projet une approche conduisant à une description plus détaillée du fonctionnement de l'écosystème microbien. Les perturbations étudiées seront: (i) concentration élevée en ammoniac, (ii) variation de la composition du co-substrat et (iii) modification de la température. L’approche innovante que nous proposons repose d’une part sur l’utilisation de méthodologies méta-omiques, pour obtenir des informations sur les microorganismes présents, les fonctions exprimées et les métabolites produits, mais également sur les variations de ces indicateurs en fonction des conditions de fonctionnement; et d'autre part sur l'application de méthodes statistiques d'intégration de données. <br />Plus précisément, les objectifs industriels sont: <br />i. Proposition de stratégies de gestion microbienne des digesteurs anaérobies pour surmonter les perturbations étudiées ; <br />ii. Définition d'indicateurs microbiens de performance et d'alerte précoce de défaillance ; <br />iii. Définition de stratégies de gestion microbienne pour la production de biocarburants ou de synthons valorisables en chimie verte. <br />Les objectifs scientifiques sont: <br />i. Développement d'une approche méta-omique permettant de réaliser un diagnostic fonctionnel du microbiome; <br />ii. Mise au point de méthodes biostatistiques d’exploration de données permettant la fusion de données méta-omiques et de paramètres de processus afin d’extraire des informations fonctionnelles essentielles de l’importante quantité de données générée par les approches omiques; <br />iii. Évaluation de l'importance de la diversité et de la dynamique des communautés microbiennes afin de maintenir la stabilité fonctionnelle et la robustesse des bioprocédés.

L’effet de la concentration élevée en ammoniac sera étudié car il s’agit de la cause la plus courante de défaillance. Dans une seconde étape, nous nous concentrerons sur la co-digestion qui peut être une solution intéressante pour surmonter cet inconvénient lié au mono substrat. La modification de la température sera la troisième perturbation étudiée au cours du projet. Une température basse peut, par exemple, être utilisée lorsque la quantité de boues d'épuration disponible est faible, afin de réduire les coûts opérationnels. Elle ne serait ensuite augmentée que lors du traitement de charges plus importantes.
L'approche expérimentale adoptée combinera des essais à l’échelle laboratoire en réacteurs discontinus, en réacteurs semi-continus et une expérience à pleine échelle sur des digesteurs industriels (modification de la température). Dans les trois tâches, les méthodologies omiques (métabolomique non ciblée, métagénomique, métatranscriptomique) seront appliquées pour caractériser en profondeur le microbiome lors de la variation des paramètres de fonctionnement et pour en déduire des relations structure-fonction, c'est-à-dire des corrélations entre les paramètres de structure et dynamique de la communauté microbienne et les performances des réacteurs. Ces dernières données, ainsi que les données de performance, seront analysées par fusion (approches multi-blocs) afin d’en extraire les corrélations pertinentes pour favoriser l’identification des causes des variations de performance et proposer des stratégies de gestion. En utilisant la fusion de différentes données omiques, l’objectif est également d’identifier les inhibiteurs possibles de la digestion anaérobie et de déterminer sur quelle réaction biochimique ce régulateur métabolique peut agir. Il serait alors possible de limiter ou d’amplifier les effets d’inhibitions selon le produit souhaité (méthane ou intermédiaires de réaction à haute valeur ajoutée).

Tâche 1:
Dans 6 digesteurs de laboratoire, de l'ammoniac a été ajouté à différentes vitesses. Les performances de dégradation ont été suivies (production de gaz, produits de dégradation…), tout comme l'identité et l'activité des microorganismes (métabarcoding 16S de 140 échantillons d'ARN et d'ADN). Des stratégies d'atténuation de l'inhibition à l'ammoniac ont ensuite été testées tel que l'ajout de supports solides pour favoriser les interactions et la syntrophie entre microorganismes. L’impact de ces supports a été évalué sur le long terme dans 6 digesteurs semi-continus. Les résultats sont en cours d’analyse.
Tâche 2:
Une première expérience a été réalisée dans des digesteurs discontinus pour évaluer l’influence de la composition du substrat sur la stabilité des digesteurs. Les substrats (déchets de poisson, herbe, boues d’épuration) ont été mélangés deux par deux dans des proportions différentes. La dynamique microbienne a été suivie par métabarcoding 16S et les voies de dégradation par métabolomique. Nous avons observé que la composition du substrat avait une forte influence sur la dynamique microbienne. A partir de ces résultats, de nouvelles stratégies d'alimentation lors de la co-digestion, seront testées en digesteurs semi-continus.
Tâche 3:
Une expérience a été réalisée sur deux digesteurs industriels fonctionnant en parallèle et alimentés exactement de la même manière. Le digesteur A a été utilisé comme référence pour la digestion anaérobie mésophile (35°C); tandis que la température du digesteur B a été modifiée. Des modifications de la production spécifique de biogaz ont été observées dans le digesteur B. La modification de la température a eu une influence sur l’activité et la présence de différents microorganismes, notamment les archées qui y sont particulièrement sensibles. La métabolomique suivra la dynamique des voies de dégradation. Huit échantillons seront étudiés par métagénomique.

Ce projet vise à développer une approche innovante permettant de réaliser un diagnostic fonctionnel du microbiome. Il s’agit en particulier de développer des méthodes d’exploration biostatistiques qui permettront la fusion de données métaomiques et des paramètres du procédé afin d’extraire les informations fonctionnelles essentielles. Ces approches statistiques, encore peu développées, permettront d'extraire les corrélations pertinentes entre les différents types de données, afin de favoriser l'identification des causes des écarts de performance, et de proposer des stratégies de gestion et d’optimisation. Notre projet fournira un cadre général pour appliquer ces méthodes à d’autres sujets d’intérêt.
Face aux enjeux économiques, environnementaux et sociétaux actuels, les secteurs de la gestion des déchets doivent gagner en efficacité, en durabilité et en robustesse. Dans ce contexte, le projet vise à proposer un nouvel outil et des méthodes optimisées pour la gestion des bioprocédés de digestion anaérobie. Par ailleurs, il contribuera à accroître la fiabilité et la productivité des procédés de digestion anaérobie pour la production d’énergie renouvelable et de molécules à haute valeur ajoutée en chimie verte.
Une meilleure gestion des bioprocédés anaérobies permettra d'améliorer la production de biogaz, alternative aux combustibles fossiles, en transformant les déchets en ressource. Ces travaux permettront notamment de proposer de nouveaux modes de gestion de la digestion anaérobie et de rationaliser les pratiques existantes. Par ailleurs, les informations obtenues dans les cas de dysfonctionnements seront particulièrement intéressantes car c'est dans ces situations que peuvent s'accumuler des métabolites d'intérêt tels que l'éthanol et l'acide lactique. Ces résultats pourraient permettre d’élaborer des stratégies visant à élargir les champs d’application du procédé à la production de biocarburants ou de synthons valorisables en chimie verte.

Conférence
15th IWA World Conference on Anaerobic Digestion (17-20 Octobre 2017, Beijing, China)
Low temperature sewage sludge anaerobic digestion: full-scale proof of interest and study of microbial adaptation.
D. Conteau, O. Franchi Morales, O. Chapleur , G. Gaval, G. Traba Lago, L. Mazéas, P. Araya Kroff, B. Barillon

3th International Congress of Microbiology in Biogas (1-3 mai 2017, Wageningen, Pays-Bas)
Understanding the effect of ammonia on anaerobic microbiota during biowaste anaerobic digestion
L. Cardona, S. Poirier, C. Madigou, T. Bouchez, L. Mazéas, O. Chapleur

2nd international conference on anaerobic digestion technology (4-7 Juin 2018 , Chiang Mai, Thailand)
sustainable alternative bioenergy for a stable life: Impact of anaerobic co-digestion on microbial community and associated degradation pathways.
L. Cardona, C. Madigou, C. Bureau, L. Rouillac, L. Mazeas and O. Chapleur

ISME conference 2018 (Aout 2018, Leipzig)
Effect of ammonia on the dynamics of anaerobic digestion microbiome: omics data integration in a time course context. O. Chapleur, S. Poirier, K-A. Lê Cao

ISME conference 2018 (Aout 2018, Leipzig)
Multi-omics data integration to decipher the impact of feeding composition on the microbiota of anaerobic digestion.
L. Cardona, K-A. Lê Cao, C. Madigou, C. Bureau, L. Rouillac, L. Mazeas and O. Chapleur

Chimiométrie XX – 2019 (janvier 2019 Montpellier)
ComDim-ICA : A procedure to perform Multiblock Independent Components Analysis
D. N. Rutledge, L. Schmidtke

Chimiométrie XX – 2019 (janvier 2019 Montpellier)
Unraveling the microbial community interactions in anaerobic digesters with Common Components Analysis
F. Puig-Castellví, L. Cardona, O. Chapleur, C. B. Y. Cordella, D. Jouan-Rimbaud Bouveresse, L. Mazeas and D. N. Rutledge

La digestion anaérobie est un procédé de dégradation de la matière organique qui produit du biogaz riche en méthane pouvant être valorisé sous forme d’énergie électrique et thermique. Dans un contexte de préservation de l’environnement et de recherche d’efficacité énergétique croissante la méthanisation suscite un regain d’intérêt car elle permet à la fois de convertir les déchets en une ressource énergétique et également de valoriser le résidu organique en épandage. Le nombre de gisements de matière organique résiduelle est par ailleurs sans cesse en croissance, faisant de la digestion anaérobie une source potentielle d’énergie importante.

Les retours d’expérience montrent que leur gestion repose essentiellement sur le savoir-faire de l’exploitant. De plus, la dynamique des populations et des industries provoque des changements soudains et imprévisibles de quantité et de composition des déchets à traiter. Jusqu’à récemment, la méthanisation était considérée comme présentant une trop grande inertie et n’étant pas assez bien maîtrisée pour faire face à ces changements et présenter la flexibilité souhaitée. Une telle situation est principalement due à l’absence de stratégie opérationnelle reposant sur la gestion du moteur microbien qui joue un rôle clé lors de la digestion anaérobie car son fonctionnement reste encore largement méconnu. De nos jours les méthodologies omiques (métagénomique, métatranscriptomique, metaprotéomique, métabolomique) permettent de faire un diagnostic fonctionnel du microbiome permettant (i) d’élaborer de réelles stratégies de gestion du moteur microbien de la digestion anaérobie et (ii) d’identifier des indicateurs de bonne performance et de détection précoce de dysfonctionnements du procédé.

Afin de répondre à ces objectifs il est important non seulement d’étudier le fonctionnement de la communauté microbienne lors d’un fonctionnement optimal des digesteurs mais aussi en cas de perturbation. Dans le cadre de ce projet les approches omiques seront mises en oeuvre pour étudier l’effet de perturbations connues pour pouvoir conduire à des dysfonctionnements de la digestion anaérobie. L’analyse par fusion des données omiques permettra d’extraire les corrélations pertinentes entre les jeux de données afin d’identifier les causes de variation de performance et de proposer des stratégies opérationnelles permettant d’y remédier.

L’effet de fortes concentrations en azote ammoniacal, connues pour pouvoir inhiber le processus de digestion anaérobie des boues de station d’épuration en raison de leurs faibles rapports C/N, sera la première perturbation étudiée. L’introduction d’un co-substrat pourrait améliorer de façon significative la rentabilité économique des installations de méthanisation en augmentant les rendements de production de biogaz et en limitant les risques d’inhibition par l’ammoniaque. Cependant, la co-digestion doit faire face à des difficultés opérationnelles en raison de la variabilité de la composition du co-substrat pouvant conduire à une instabilité des digesteurs. Ainsi une meilleure connaissance concernant la façon dont la communauté microbienne réagit au changement de composition du substrat est nécessaire. L’introduction d’un co-substrat de composition variable sera pour cela la seconde perturbation étudiée. Dans le cas où aucun co-substrat n’est disponible une baisse de la température peut permettre de diminuer les coûts de fonctionnement associés à la gestion du digesteur. La variation de la température sera la troisième perturbation traitée dans ce projet.
Les informations sur le fonctionnement de la communauté microbienne obtenues en cas de dysfonctionnement seront particulièrement intéressantes car c’est dans ces situations que des métabolites d’intérêt tel que l’éthanol ou l’acide lactique peuvent s’accumuler. Ces résultats pourraient ainsi permettre le développement de procédés permettant la production de biocarburant et de molécules plateforme utilisées en chimie verte.

Coordinateur du projet

Monsieur Laurent Mazéas (Institut de recherche en science et technologie pour l'environnement et l'agriculture)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IRSTEA Institut de recherche en science et technologie pour l'environnement et l'agriculture
AgroParisTech Institut des sciences et industries du vivant et de l'environnement
Suez Groupe SUEZ GROUPE

Aide de l'ANR 446 565 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2016 - 42 Mois

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