Advancing environmental biotechnologies through molecular ecology approaches : from description to management

Advancing environmental biotechnology through molecular ecology approaches : from description to managementFaire progresser les biotechnologies environnementales par le biais d'approches d'écologie moléculaire : de la description à la gestion

• Auteur / Autrice : Laetitia Cardona
• Direction : Laurent Mazeas, Olivier Chapleur
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Inscription en doctorat le 02/01/2017; Soutenance le 27/05/2020
• Etablissement(s) : Paris, Institut agronomique, vétérinaire et forestier de France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PROSE - PRocédés biOtechnologiques au Service de l'Environnement - UR IRSTEA Antony

Mots clés

Mots clés libres

Digestion anaérobie

Séquençage haut débit

Métabolomique non ciblée

Biostatistiques

Perturbations

Zéolite

Anaerobic digestion

High throughput sequencing

Untargeted metabolomics

Biostatistics

Disturbance

Zeolite

Résumé

L’utilisation des énergies renouvelables joue un rôle crucial dans la réduction des émissions de CO2. La digestion anaérobie est un bioprocédé permettant la réduction du volume de déchets organiques et la production du biogaz, une énergie verte. La vulnérabilité du microbiome face à des modifications de paramètres opératoires peut entrainer la défaillance des exploitations ainsi que des pertes économiques. La compréhension du microbiome dans sa globalité et son impact sur les performances des digesteurs pourraient fournir des clés pour limiter ce risque. Grâce au développement des méthodologies d’analyse à haut débit, la compréhension de la dynamique, des interactions et du fonctionnement du microbiome a été amélioré. Le but de ce travail de thèse a été de caractériser le fonctionnement du microbiome suite à la modification de paramètres opératoires et de comprendre comment cela influe sur les performances des digesteurs. Pour ce faire, des analyses haut débit, notamment le séquençage de l’ARN 16S et la métabolomique, couplées à des analyses de biostatistiques ont été mise en œuvre. Dans un premier temps l’influence de la composition de l’alimentation a été étudiée. Les digesteurs ont été alimentés avec différents mélanges de substrats. Les résultats montrent que la composition en substrat joue un rôle sur la diversité et la spécificité du microbiome. Ceci expliquerait les différences de performances de production de biogaz entre les réacteurs. Une analyse intégrative a été utilisée pour lier l’activité microbienne à la dégradation des substrats. Ceci a permis d’identifier de potentiels dégradeurs de molécules spécifiques. La capacité des microorganismes à s’adapter à la modification de la composition du substrat a aussi été étudiée dans des digesteurs semi-continus. Dans un second temps, l’influence de l’azote ammoniacal (NH3) sur les dynamiques microbiennes a été étudiée. Le NH3 a été ajouté à différentes vitesses dans des réacteurs semi-continus. Les résultats montrent qu’une accumulation rapide entraine des modifications importantes sur les performances des digesteurs. Une analyse longitudinale a été réalisée. Cette analyse a permis d’évaluer la capacité d’adaptation des microbes face à des conditions d’accumulation du NH3 différentes. De plus, des microorganismes spécifiques de l’accumulation du NH3 ont été identifiés et pourraient être utilisés comme de bio-indicateurs pour signaler une inhibition du digesteur. Pour finir l’influence de la zéolite sur les interactions microbiennes a été étudiée. La zéolite est un support minéral permettant de limiter l’inhibition par le NH3. Cependant, les mécanismes permettant cette limitation demeurent peu compris. Afin de les comprendre, la zéolite a été soumise à différents prétraitements physico-chimiques puis ajoutée dans des réacteurs en présence de NH3. De façon générale, la zéolite n’influence pas la composition microbienne et les performances des digesteurs en absence de NH3, alors qu’un effet significatif a été observé en présence de NH3. Une analyse discriminante a permis de mettre en évidence l’impact de la zéolite sur la syntrophie microbienne nécessaire à la dégradation du propionate. Des données de la littérature ont été inclues à l’analyse afin d’évaluer la généricité des résultats. Les résultats de ces travaux de thèse mettent en évidence l’importance des paramètres opérationnels sur l’activité microbienne. Des analyses statistiques innovantes ont été proposées pour décrire plus en profondeur le microbiome. Par exemple, des phylotypes clés sensibles à des inhibitions spécifiques ont été identifiés. Certains pourraient être utilisés comme bio-indicateurs pour le suivi du fonctionnement des digesteurs. De plus, ce travail met en évidence la plus-value de la métabolomique dans le domaine des bioprocédés, puisqu’elle permet de suivre la dégradation de la matière organique et de déduire le rôle potentiel des microbes dans le procédé de dégradation.

Renewable energies play a crucial role in the limitation of the CO2 emissions. Among them, anaerobic digestion allows the reduction of organic waste volume and the production of biogas, a sustainable energy. However the vulnerability of the anaerobic microbiome to the modification of operational parameters can lead to process failure and economic losses. Increasing the knowledges about the anaerobic microbiome as a whole and its impact on the digester performances would provide the keys to limit the risk of process failure. Thanks to the development of the high throughput methodologies, the understanding of the microbiome dynamics, interactions and functioning has improved. The aim of this thesis work was to characterise the microbiome functioning under different operating conditions and how it relates to the digester performances. To do so multiple high-throughput molecular technologies, especially 16S RNA metabarcoding and metabolomics analyses, coupled to computational biostatistics were used. Influence of the feedstock composition was the first parameter studied. Digesters were fed with different mixtures of substrates. The results showed that the substrate composition played a significant role on the microbial diversity and specificity which could explain the different digester performances observed between the batch reactors. An integrative analytical framework was specifically used to link the microbial activity to the substrates degradation. It allowed to identify potential degraders of specific molecules. The capacity of the microorganisms to adapt to an evolution of the feedstock composition was also evaluated in semi-continuous reactors. In a second time, the influence of ammonia accumulation on the microbial dynamics was evaluated. In semi-continuous reactors ammonia was added at different speeds. The results showed that the faster the speed of accumulation was, the more the digester performances were impacted. A longitudinal analysis was performed by carrying out a temporal sampling. This analysis allowed to evaluate the adaptation capacity of the microbes when subjected to different conditions of ammonia addition. Moreover microorganisms specific to the ammonia accumulation were identified and could be used as potential bio-indicators to forecast digester inhibition. Finally the influence of the zeolite on the microbial interactions was studied. Zeolite is a mineral support allowing to counteract ammonia inhibition. However, the mechanisms behind this mitigation capacity remain unclear. In order to unravel them, different physical treatments were applied on the zeolite before it was added into digesters containing ammonia. In general in absence of ammonia, the zeolite did not influence the microbial composition and the digester performances, while a significant effect was observed in presence of ammonia. A discriminant analysis coupled to a sparse method allowed to highlight the impact of the zeolite on the microbial syntrophy needed for the propionate degradation. Additional data from the literature were included in order to evaluate the genericity of the results. The results from this thesis work highlight the importance of the operational parameters, even at a small-scale, on the microbial activity. Innovative statistical frameworks for the analysis of the microbiome were proposed to go further on the microbiome description. For example, key phylotypes specifically sensitive to inhibition were identified. Some of them could be used as bio-indicators to control digester functioning. Moreover, this work highlights the value of developing the metabolomic analysis in the bioprocess fields, as it enables to monitor organic matter degradation and infer the potential role of the microorganisms in the degradation process.