Identifier les sensibilités des microorganismes pour optimiser le rendement en biogaz

Importante source d’énergie renouvelable, la filière de la méthanisation bien qu’opérationnelle peine encore à se développer. Parmi les raisons : des dysfonctionnements trop fréquents qui limitent le rendement en biogaz. Á Irstea, les chercheurs étudient le fonctionnement du cœur biologique des digesteurs de déchets pour améliorer la maîtrise du procédé et, à terme, garantir un rendement optimal et stable dans le temps.

La méthanisation repose sur l’activité des microorganismes qui, en absence d’oxygène, dégradent les déchets organiques en biogaz, mélange de dioxyde de carbone et de méthane. Pour mieux maîtriser le procédé et ses rendements, une meilleure connaissance du fonctionnement de l’écosystème microbien, véritable « moteur biologique » des digesteurs, est indispensable. Dans ce but, des travaux menés à Irstea visent à étudier, dans des digesteurs qui simulent en laboratoire les digesteurs industriels, l’impact de perturbations (polluants, température…) sur les microorganismes et leurs performances de dégradation.

Comprendre l’origine des « pannes microbiennes »

Les scientifiques s’intéressent à diverses situations où l’activité du cœur microbien est perturbée, voire stoppée. Ils ont par exemple étudié l’influence de polluants organiques et précisément du phénol, un polluant issu des déchets ou de leur dégradation fréquemment rencontré dans les digesteurs en fonctionnement.

« Dans le cadre du projet Metharesist, nous avons analysé l’impact de différentes concentrations de phénol sur les microorganismes ; cela nous a permis d’identifier ceux qui y sont sensibles, et leur seuil de vulnérabilité, et ceux qui résistent et poursuivent la dégradation. Nous avons aussi testé plusieurs stratégies pour contrer ces perturbations, comme l’utilisation de matériaux de support, du type charbon actif, pour adsorber le phénol ou pour favoriser la croissance des microorganismes », explique Olivier Chapleur, chercheur en écologie microbienne au sein de l’unité Hydrosystèmes et bioprocédés d’Irstea.

D’autres paramètres influençant l’activité des microorganismes sont aujourd’hui étudiés dans le cadre du projet Digestomic:

  • la concentration en azote ammoniacal, qui peut être produit lors de la dégradation des déchets ;
  • les changements de température ;
  • les modifications de la composition des déchets.

L’étude de ces paramètres à l’origine des perturbations majeures des digesteurs devrait conduire à des solutions d’optimisation des rendements des digesteurs, en tenant compte des problématiques inhérentes à la gestion des déchets, comme le traitement des déchets difficiles à dégrader ou la variabilité des flux de déchets (saison, origine…).

Une méthode inédite d’analyse de données haut-débit

Pour étudier précisément l’impact des perturbations sur l’activité du cœur microbien, constitué d’une multitude de microorganismes différents, les scientifiques s’appuient sur des techniques de pointe de biologie moléculaire – dites méta-omiques – et des outils statistiques, qui permettent d’acquérir et d’analyser de très grandes quantités de données biologiques. « L’enjeu n’est pas d’étudier les microorganismes individuellement, mais la communauté microbienne dans son ensemble. Nous analysons la globalité du matériel génétique microbien (ADN et ARN), ainsi que l’ensemble des protéines impliquées dans les réactions de dégradation », précise le chercheur.

Atout précieux de ces méthodes à haut-débit : l’énorme quantité de données obtenues permet de générer des connaissances beaucoup plus fiables et représentatives du fonctionnement réel du système.

En améliorant la maîtrise de l’activité microbienne et de ses performances, ces travaux permettront, à terme, d’élaborer des stratégies opératoires garantissant un rendement optimal des digesteurs industriels. Voire une diversification de leur activité, en orientant par exemple le métabolisme des microorganismes vers la production d’autres molécules d’intérêt comme l’éthanol.


* Projet ANR (2016-2020), partenaires : Groupe Suez, AgroParisTech, Irstea.

 

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