Cas d’application de l’outil Métatranscriptomique pour l’optimisation des procédés industriels de méthanisation Sébastien LACROIX 1 , Grégory MARANDAT 1,3 , Thierry ARNAUD 2 , Théodore BOUCHEZ 3 , Anne-Sophie LEPEUPLE 1 1 VEOLIA Recherche et Innovation – Chemin de la Digue, 78600 MAISONS-LAFFITTE - France - [email protected]2 VEOLIA - Direction Technique & Performance - 1 rue Battista Pirelli, 94410 SAINT-MAURICE - France - [email protected]3 IRSTEA – UR HBAN – 1 Rue Pierre-Gilles de Gennes, 92761 ANTONY – France RECHERCHE & INNOVATION
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Application de l’outil Méta/ JIM 2014 / 05 Novembre 2014
Caractérisation de la biomasse présente dans le réacteur
Caractérisation d’une biomasse anaérobie fonctionnant à faible
température
Dynamique des population lors d’une période de fonctionnement
stable après phase de démarrage.
Prélèvements d’échantillons à 2 mois d’écart.
Analyse Métagénomique (ADN) et Métatranscriptomique (ARN)
Objectifs
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AnalyseTaxonomique: qui est là?
Population très stable au cours du temps.
Méthanogènes représentent 18% (T1) à 22% (T2) de la population microbienne totale.
90% des bactéries appartiennent à 4 phylum (Beta et Deltaproteobacteria,, Firmicute et Bacteroidetes)
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Focus sur les Méthanogènes
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Population Méthanogènes principalement composée de Methanomicrobiales et de Methanosarcinales.
Augmentation des Méthanogènes entre T1 et T2 principalement due à une prolifération des Methanosarcinales.
Methanobacteriales apparaissent comme peu présentent mais particulièrement actives (ARN)
Application de l’outil Méta/ JIM 2014 / 05 Novembre 2014
Analyse fonctionnelle: Quelles sont les activités
exprimées?
3 (T1) et 5 (T2) millions des séquences obtenues correspondent à des activités métaboliques.
Principales voies métaboliques détectées: Méthanogénèse (36%)
Biosynthèse des protéines Repliement des protéines Transfert d’électrons ATP synthase … autres activités de base
Métabolisme de l’azote (0,65%) Métabolisme du soufre (0,55%)
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>50%
Application de l’outil Méta/ JIM 2014 / 05 Novembre 2014
Focus sur le métabolisme du méthane
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37 des 50 enzymes de la méthanogénèse identifiées. Prédominance de la voie hydrogénotrophe sur la voie acétoclaste Détection de 6 enzymes spécifiques de cette voie.
Application de l’outil Méta/ JIM 2014 / 05 Novembre 2014
L’approche Métatranscriptomique a permis de :
Décrire de façon très précise et complète la biomasse d’un digesteur
anaérobie fonctionnant à basse température (17°C)
Mettre en évidence que cette biomasse est proche de celle décrite
classiquement dans une installation mésophile
De définir que, dans ces conditions de fonctionnement, la voie
hydrogénotrophe était prédominante sur la voie acétoclaste.
Conclusions
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o Caractérisation de la biomasse au sein du digesteur
o Evaluation d’une technique de Microaération pour diminuer la
concentration en H2S
Cas d’application N°2: Digesteur de type EGSB traitant
des effluents papetiers
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EGSB de 5m3
Alimentation: effluent papetier
Charge volumique = 5 kg DCO/m3/j
Système d’injection d’air sur la boucle
de recirculation (débit réglable)
Objectif:
Validation de la méthode de
microaération pour contrôler la
production de H2S
Contexte de l’étude
Application de l’outil Méta/ JIM 2014 / 05 Novembre 2014
Conditions expérimentales
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Périodes Début Fin Débit d’air
m3/jour
H2SO4
addition
1. Contrôle #1 18-Oct-2012 5-Nov-2012 0 non
1. Contrôle #2 6-Nov-2012 21-Jan-2013 0 oui
1. Aération #1 22-Jan-2013 29-Jan-2013 1.37 oui
1. Contrôle #3 2-Fev-2013 25-Fev-2013 0 non
1. Aération #2 26-Fev-2013 19-Mar-2013 0.72 non
1. Aération #3 22-Avr-2013 14-Mai-2013 2.04 non
1. Aération #4 15-Mai-2013 23-Mai-2013 3.40 non
Analyses Méta réalisées tout au long du suivi.
Application de l’outil Méta/ JIM 2014 / 05 Novembre 2014
Population globale très stable au
cours du temps: Pas de modification de population induite
ni par microaération, ni par l’ajout de
H2SO4
Analyses taxonomiques: Qui est là?
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Bactéries
Mehanolinea
Methanobacterium Methanosaeta
Population microbienne composée à 70% de Méthanogènes, dont 50% de Methanosaeta Prédominance de la voie acétoclaste Application de l’outil Méta/ JIM 2014 / 05 Novembre 2014
Détection des voies métaboliques du méthane, du soufre et de l’azote
principalement.
Très peu de variations du niveau d’expression de ces différentes voies au
cours du suivi. Pas d’impact significatif de la microaération et de l’ajout de H2SO4
Une différence majeure: variation de l’expression d’une enzyme (1.8.99.1)
induisant la formation de H2S via réduction d’ions sulfites Absence d’expression avant ajout H2SO4
Expression forte après ajout de H2SO4
Inhibition de l’expression après mise en place de la microaération
Analyse fonctionnelle
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Analyse fonctionnelle: Métabolisme du Méthane
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Description complète et précise de la biomasse au sein du
réacteur.
Corrélation entre:
les analyse Méta: Inhibition de l’enzyme 1.8.99.1 du synthèse du H2S
les données du suivi physico-chimique: Diminution de la concentration en H2S
dans le biogaz
Mise en évidence de la raison métabolique provoquant une
diminution de la production de H2S lors de la mise en place de la
microaération
Conclusions
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Conclusions générales
RECHERCHE & INNOVATION
L’approche Méta offre un outil très puissant basé sur une technologie de
pointe (NGS).
Cette approche permet de décrire avec précision un écosystème
microbien aussi complexe que celui d’un digesteur anaérobie (d’un point
de vue taxonomique et fonctionnel).
Présente avant tout un intérêt scientifique: description et compréhension
de ces écosystèmes complexes.
Montre également que l’approche Méta peut déjà être un outil efficace
d’aide à la décision pour l’optimisation d’installations à l’échelle
industrielle.
Conclusions
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• A court-termes:
• Explorer, caractériser et comprendre les dynamiques des communautés
microbiennes complexes.
• Identifier des profils taxonomiques et fonctionnels caractéristiques, lors de
régimes perturbés et productifs des bioprocédés.
• A moyen-termes:
• Faire le lien entre le design des procédés, les paramètres opératoires, les
performances mesurées et la biomasse active.
• Fournir un outil d’aide à la décision pour la conduite et le design des procédés.
A long termes:
• Repousser les limites de fonctionnement des installations, même dans des
conditions défavorables (ex : faible température),
• Générer de nouvelles hypothèses fondamentales et potentiellement identifier de
nouveaux biocatalyseurs environnementaux ou nouvelles voies métaboliques,
industriellement utilisables.
Perspectives d’application
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