Développement et propriétés de biofilms électroactifs en conditions hydrodynamiques contrôlées

Development and properties of electroactive biofilms under controlled hydrodynamics

• Auteur / Autrice : Florent Bouchon
• Direction : Théodore Bouchez, Alain Bergel, Yannick Fayolle, Filali Ahlem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Soutenance le 20/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés biotechnologiques au service de l'environnement (Antony, Hauts-de-Seine ; 2005-....) - AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Bernet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wafa Achouak, Frédéric Barrière, Romain Briandet, Claire Dumas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wafa Achouak, Frédéric Barrière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diversité microbienne

Innovation

Réacteurs électrochimiques

Bioélectrochimie

Cisaillement (mécanique)

Causalité

Hydrodynamique

Analyse

Tests

Biofilms

Mots clés libres

Réacteur de Couette-Taylor électrochimique

Biofilm électroactif

Technologie électro-microbienne

Hydrodynamique contrôlée

Contrainte de cisaillement long-Terme

Populations microbiennes

Electrochemical Couette-Taylor reactor

Electroactive biofilm

Microbial electrochemical technology

Controlled hydrodynamics

Long-Term shear stress

Microbial populations

Résumé

Dans un contexte mondial de besoins énergétiques dans un cadre de ressources limitées, les technologies électro-microbiennes représentent une solution alternative et de plus en plus réaliste pour la valorisation des déchets organiques.La limite principale à l'intégration de ces technologies au sein des usines de traitement et de valorisation des eaux résiduaires urbaines réside dans leur stabilité et fiabilité sur le long terme. En effet, les anodes microbiennes, capables de récupérer les électrons issus de l'oxydation de la matière organique, sont marquées par une décroissance de leurs performances au cours du temps dans les réacteurs opérés en continu. Cette chute des performances de ces systèmes est souvent associée aux évolutions des propriétés des biofilms électroactifs (structurales et fonctionnelles).Le potentiel d'électrode et le contrôle de l'hydrodynamique ont été identifiés comme les deux leviers d'action principaux. Or, le rôle de l'hydrodynamique pour la gestion des biofilms électroactifs a été peu étudié et mérite d'être investigué au vu de son impact significatif sur les performances des biofilms non-électroactifs.Un réacteur de Couette-Taylor électrochimique innovant a été conçu pour étudier l'effet de l'hydrodynamique sur les biofilms électroactifs. Le suivi bio-électrochimique couplant plusieurs techniques d'analyses a été mis en œuvre pour avancer dans la compréhension des interactions entre les paramètres électrochimiques, hydrodynamiques et biologiques au cours du temps. La conception de ce réacteur a été préalablement validée à l'aide d'un modèle abiotique. Pour ces conditions, des comportements électrochimiques reproductibles en fonction des différentes conditions hydrodynamiques ont été obtenus sur les vingt électrodes individualisées disponibles. Des spécificités liées aux écoulements de Couette-Taylor (régimes à vortex) ont été identifiées et exprimées en fonction de nombres adimensionnels.Le suivi électrochimique et la caractérisation des populations microbiennes et de leur activités dans les biofilms électroactifs mixtes développés à partir d'eaux usées réelles a permis d'évaluer les performances de chaque bio-anode sous potentiel imposé. Le développement jusqu'à la phase de maturation des biofilms électroactifs a conduit à des résultats très reproductibles (10 % de variabilité des performances électrochimiques) permettant de répondre aux limitations des systèmes d'étude actuels grâce à l'homogénéisation de la contrainte de cisaillement sur de grandes surfaces d'électrodes. Les potentiels d'électrode les plus bas (-300 mV/ECS) entraînent le développement des électrodes les plus efficaces mais ne permettent pas d'exploiter le maximum de leurs performances en électrolyse. Des compétitions pour les électrons ont été supposées entre l'électrode et certaines espèces microbiennes (sulfato-réductrices et méthanogènes) et semblent favorisées par des potentiels élevés (0 et 150 mV/ECS) et des contraintes de cisaillement faibles (≤130 mPa). Une compétition pour la niche écologique de Geobacter a été détectée avec Trichloromonas qui semble être un indicateur de plus faibles performances électroactives.L'influence de l'augmentation de la contrainte hydrodynamique sur la maturation du biofilm a ensuite été étudiée en augmentant la contrainte de cisaillement par paliers de 8,3 mPa à 5 Pa. Cette dernière n'induit pas d'effet significatif sur la chute d'activité électrochimique observée au cours du temps. Cependant, l'augmentation des courants limites obtenus pour les contraintes de cisaillement les plus élevées (2,4 et 5 Pa) et la modification profonde de la composition des biofilms obtenus à 5 Pa révèlent un impact fort de l'hydrodynamique sur les biofilms électroactifs matures.

In the global context of increasing energy demands and limited resources, microbial electrocehmical technologies offer a viable solution for the recovery of organic waste. However, their integration into urban wastewater treatment and recovery plants is hindered by long-term stability and reliability challenges. Microbial anodes, responsible for electron recovery through organic matter oxidation, experience a decline in performance over time in continuously operated reactors, which is attributed to changes in the structural and functional properties of electroactive biofilms.While electrode potential and hydrodynamics are recognized as key factors in these technologies, the role of hydrodynamics in managing electroactive biofilms has been understudied and warrants further investigation due to its significant impact on non-electroactive biofilms.To address this gap, an innovative electrochemical Couette-Taylor reactor was developed to examine the influence of hydrodynamics on electroactive biofilms. Bio-electrochemical monitoring, employing various analytical techniques, was implemented to deepen our understanding of the interactions among electrochemical, hydrodynamic, and biological parameters over time. The reactor design was validated through abiotic experiments, demonstrating reproducible electrochemical behavior under different hydrodynamic conditions on twenty individualized electrodes. Specific characteristics associated with Couette-Taylor flows, such as vortex regimes, were identified and quantified using dimensionless numbers.By employing electrochemical monitoring and characterizing microbial populations and their activities within mixed electroactive biofilms cultivated from real wastewater, the performance of each bio-anode was assessed under poised potentials. The development and maturation of electroactive biofilms yielded highly reproducible results, with a 10% variability in electrochemical performance. The homogenization of shear stress across large electrodes surfaces helped overcome the limitations of current systems. Notably, the most efficient electrodes were achieved at the lowest electrode potentials (-300 mV/ECS), although their full electrolysis potential remained untapped. Competition for electrons between the electrode and specific microbial species, such as sulfate-reducers and methanogens, seemed to be promoted by higher potentials (0 and 150 mV/ECS) and low shear stresses (≤130 mPa). Competition for Geobacter's ecological niche was observed with Trichloromonas, indicating lower electroactive performance.The impact of increasing hydrodynamic stress on biofilm maturation was investigated by incrementally raising shear stress from 8.3 mPa to 5 Pa. Surprisingly, this parameter had no significant effect on the observed decline in electrochemical activity over time. However, higher shear stresses (2.4 and 5 Pa) resulted in increased limiting currents, and significant changes in biofilm composition were observed at 5 Pa, highlighting the strong influence of hydrodynamics on mature electroactive biofilms.