Amélioration de la digestion anaérobie par des approches omiques : mécanismes d'inhibition et stratégies d'atténuation

Improving the anaerobic digestion process through omics approaches : inhibition mechanisms and mitigation strategies

• Auteur / Autrice : Xiaoqing Wang
• Direction : Olivier Chapleur, Laurent Mazeas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 29/02/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PROSE - PRocédés biOtechnologiques au Service de l'Environnement - UR INRAE Antony
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Landaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Séverine Zirah, Emilie Muller, Ludwig Jardillier, Jérôme Hamelin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Séverine Zirah, Emilie Muller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biométrie

Écologie microbienne

Métabolomique

Méthanisation

Mots clés libres

Digestion anaérobie

Méthanisation

Métabolomique

Ecologie microbienne

Biostatistique

Anaerobic digestion

Methanisation

Metabolomics

Microbial ecology

Biostatistics

Résumé

L'augmentation du volume mondial des déchets organiques produits constitue à la fois un défi environnemental et une opportunité pour la production d'énergie renouvelable. La digestion anaérobie (DA) est une méthode efficace de gestion des déchets organiques qui réduit efficacement leur volume tout en les convertissant en énergie propre sous forme de biogaz. Cependant, l'une des difficultés opérationnelles de la DA réside dans le maintien de la stabilité du procédé, en raison de la vulnérabilité des communautés microbiennes impliquées, qui se montrent très sensibles aux variations des paramètres opérationnels. Il est donc impératif de comprendre les facteurs contribuant à l'instabilité du processus, tout en proposant des stratégies pour renforcer cette stabilité, en mettant l'accent sur la compréhension de la réponse des communautés microbiennes. Le développement des techniques omiques à haut débit, en particulier la métabolomique, a grandement facilité l'étude des processus métaboliques microbiens, offrant de nouvelles opportunités pour une compréhension approfondie du fonctionnement des communautés microbiennes de la DA. Cette thèse est centrée sur la stabilité de la DA, explorant les effets de divers inhibiteurs et l'impact bénéfique de différents matériaux support à l'aide d'approches omiques couplées à la biostatistique. Dans une première partie du travail, l'applicabilité de la métabolomique pour étudier la DA a été démontrée en explorant les effets de différents sels d'ammonium sur la DA. Le cadre analytique développé pour l'analyse des données métabolomiques, qui prend en compte l'évolution temporelle, a révélé des variations subtiles dans la dynamique des métabolites influencées par les anions des sels d'ammonium. Une deuxième partie du travail a examiné la généralité de l'impact bénéfique de la zéolite pour réduire l'inhibition de la DA. La zéolite a efficacement atténué l'inhibition causée par l'érythromycine et le chlorure de sodium tout en améliorant les performances de la DA dans des conditions non inhibées. L'analyse microbiologique par métabarcoding 16S couplée à l'analyse en composantes communes a révélé que la zéolite favorisait des populations de bactéries et d'archées spécifiques, indépendamment de la présence ou du type d'inhibiteur. Les populations microbiennes étroitement associées à l'effet de la zéolite ont été identifiées. La dernière partie du travail a exploré les effets de différents matériaux support, notamment le charbon actif, la magnétite, la mousse de nickel et la zéolite, sur l'atténuation de l'inhibition par le chlorure de sodium, un inhibiteur courant à l'échelle industrielle. Les digesteurs supplémentés en matériaux support ont présenté une accumulation moindre en acides gras volatils après l'inhibition et un rendement de méthane plus élevé, la mousse de nickel et la magnétite montrant l'effet le plus important. L'analyse en composantes communes a révélé des différences dans la dynamique microbiologique et métabolique entre plusieurs matériaux support, identifiant des groupes microbiens caractéristiques et des métabolites corrélés spécifiquement à chaque matériau.

The escalating global volume of organic waste presents both an environmental challenge and an opportunity for renewable energy generation. Anaerobic digestion (AD) serves as an efficient waste management method that not only effectively reduces organic waste volume but also converts it into clean energy in the form of biogas. Nevertheless, AD encounters challenges in maintaining process stability due to the vulnerability of the involved anaerobic microbial communities, which are highly sensitive to changes in operational parameters and digestive conditions. Consequently, it is imperative to understand the factors contributing to instability and propose strategies to enhance process stability, with a primary focus on understanding the response of microbial communities in this context. The development of high-throughput omics techniques, particularly metabolomics, has greatly facilitated the investigation of microbial metabolic processes, offering new opportunities to comprehensively understand the AD microbiota. This thesis is centered on the stability of AD, delving into understanding the inhibitory effects of various inhibitors and the mitigating role of different support materials using omics approaches coupled with biostatistics. In the first study, the applicability of metabolomics in AD was demonstrated by exploring the impacts of different anions originating from ammonium salts. The analytical framework developed for metabolomics data analysis, which took time evolution into account, revealed subtle variations in metabolite dynamics influenced by anions. The second study proposed the generic and beneficial impact of zeolite on AD. Zeolite effectively alleviated inhibition caused by erythromycin and sodium chloride while also enhancing AD performance under non-inhibited conditions. Microbial analysis and common components analysis uncovered that zeolite promoted specific bacterial and archaeal populations, regardless of the presence or type of inhibitor. Microbial populations closely associated with the zeolite effect were identified. The final study explored the effects of various support materials, including activated carbon, magnetite, nickel foam, and zeolite, on mitigating sodium chloride inhibition, which is a common issue in industrial AD. The digesters added with support materials exhibited lower VFAs accumulation and higher methane production ratio, with nickel foam and magnetite demonstrating a superior effect. Common components analysis disclosed differences in microbial and metabolite dynamics between several support materials, identifying characteristic microbial groups and metabolites correlated to each specific material.