Digestion anaérobie agricole : Mise en place et optimisation d'un pré-traitement thermique pour l'inactivation des spores de Clostridium

Agricultural anaerobic digestion : Implementation and optimization of a thermal pre-treatment for inactivation of Clostridium spores

• Auteur / Autrice : Cédric Delmon
• Direction : Magali Casellas-Français, Audrey Prorot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Eau, Sol, Environnement
• Date : Soutenance le 24/06/2022
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie, Ecologie, Géosciences et AgroSciences Théodore Monod (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Eau Environnement Limoges
• Jury : Président / Présidente : Christophe Dagot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magali Casellas-Français, Audrey Prorot, Xiaojun Liu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Broussolle, Anne-Marie Pourcher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthanisation

Clostridium perfringens

Mots clés libres

Hygiénisation

Imagerie en Flux

Méthanisation agricole

Pré-traitement

Clostridium perfringens

Hygienization

Imaging flow

Agricultural anaerobic digestion

Pre-treatment

Clostridium perfringens

Résumé

Aujourd’hui en plein essor, la filière de la méthanisation agricole apparaît comme une option de choix face aux enjeux environnementaux et écologiques actuels. Toutefois, compte tenu de la présence de micro-organismes potentiellement pathogènes dans les effluents d’élevage, la digestion anaérobie des déchets organiques interroge la communauté scientifique et les autorités sanitaires quant à l’innocuité sanitaire des digestats. L’objectif de ces travaux de thèse a été d’évaluer les potentialités d’un pré-traitement (thermique, chimique, et en couplage) à diminuer la charge microbiologique d’intrants d’origine agricole, tout en conservant les performances de la digestion anaérobie. Dans ce but, les effets de ces pré-traitements ont été étudiés d’un point de vue microbiologique (rendements d’élimination des micro-organismes indicateurs sur le fumier bovin dans cette étude) mais aussi sur les performances du procédé de méthanisation (test BMP). L’effet de ces pré-traitements a également été évalué à l’échelle cellulaire sur une culture pure de Clostridium perfringens par cytométrie en flux et imagerie en flux. A l’échelle du procédé, un abattement significatif de la concentration en Escherichia coli et Enterococcus sp. a été obtenu. Un effet dose-dépendant a pu être démontré : plus la concentration en acides du traitement acido-thermique est importante, plus l’abattement de la concentration en Escherichia coli et Enterococcus sp. est grand. Toutefois, aucun effet sur les spores de Clostridium perfringens n’a été mis en évidence. De plus, une inhibition du potentiel méthanogène du fumier est observée suite au pré-traitement acido-thermique. A l’échelle cellulaire, la combinaison des traitements acide et thermique a montré des effets additifs sur les différentes populations de Clostridium perfringens. Le traitement thermique conduit à la destruction des formes végétatives et le traitement acide (acides gras volatils) conduit à un ralentissement voire une inhibition de la sporulation avec un effet dose-dépendant. Une stratégie globale d’analyse des données par imagerie en flux a été développée et appliquée à l’étude des formes végétatives et sporulées de Clostridium perfringens. Les résultats obtenus mettent en évidence l’intérêt de cette technologie pour l’étude de formes sporulantes. Grâce à l’approche pluridisciplinaire de ce travail, cette thèse aura permis d’améliorer les connaissances sur la problématique de l’hygiénisation des digestats d’une part et d’apporter une meilleure compréhension sur les mécanismes d’actions bactéricides de pré-traitements acido-thermiques contre Clostridium perfringens d’autre part.

Nowadays, expanding rapidly, agricultural anaerobic digestion appears to be a great option to deal with global environmental challenges. However, given the presence of potentially pathogenic microorganisms in livestock effluents, anaerobic digestion of organic waste questions the scientific community and health authorities concerning digestates’ health safety. The objective of this thesis was to evaluate potentialities of a pre-treatment (thermal, chemical and in coupling) to reduce the microbiological load of agricultural inputs while maintaining anaerobic digestion performance. For this purpose, pre-treatments effects were studied from a microbiological point of view (yields of elimination of indicator microorganisms on cattle manure in this study) but also on anaerobic digestion process performance (BMP test). Pre-treatments effects were also evaluated, at a cellular level, on a pure culture of Clostridium perfringens by flow cytometry and flow imaging. At the process scale, a significant reduction of Escherichia coli and Enterococcus sp. concentration was reached. A dose-dependent effect has been demonstrated: the greater the acids concentration from the acidic-thermal treatment, the greater the reduction of the concentration of Escherichia coli and Enterococcus sp. concentration is important. However, no effect on Clostridium perfringens spores has been demonstrated. Moreover, an inhibition of the methanogenic potential of the manure is observed following the acidic thermal pre-treatment. At the cellular level, the combination of acidic and thermal treatments showed additive effects on the different populations of Clostridium perfringens. The thermal treatment leads to the destruction of the vegetative forms and the acidic treatment (volatile fatty acids) leads to a slowing down or even an inhibition of sporulation with a dose-dependent effect. A global strategy for analyzing data by flow imaging has been developed and applied to the study of vegetative and sporulated forms of Clostridium perfringens. The results obtained highlight the interest of this technology for the study of sporulating forms. On the one hand, thanks to the multidisciplinary approach of this work, this thesis will have made it possible to improve knowledge on the problem of the hygienization of digestates and, on the other hand, to bring a better understanding of the mechanisms of bactericidal actions of acidic thermal pre-treatments against Clostridium perfringens.