Compte tenu de la forte incitation réglementaire à la valorisation de déchets de cuisine, le développement de procédés de méthanisation à petite échelle (10 à 100 T de déchets par an) pourrait voir un essor potentiellement important. Cependant, la simplicité (préparation limitée des substrats, peu d'apport d'eau) et la robustesse (stabilité) du procédé représente des enjeux cruciaux pour valider cette échelle de fonctionnement. Dans le procédé de méthanisation, l'étape de l'hydrolyse reste la plus limitante due, d'une part, à une lente cinétique, qui provoque une dégradation non uniforme des carbohydrates structuraux (p.ex. la cellulose), et d'autre part, d'une transformation rapide des composants facilement biodégradables, ce qui peut générer une accumulation des acides gras volatiles, conduisant à une inhibition de l'activité méthanogène. Dans l'objectif de surmonter les problèmes liés à l'étape de l'hydrolyse, de nombreux travaux ont été menés sur les prétraitements mécaniques, thermiques, ou chimiques de la matière organique. En comparaison, l'utilisation d'une pré-étape aérobie a été relativement peu étudiée. Un prétraitement aérobie pourrait aider à éliminer les fractions les plus biodégradables pour limiter les risques d'acidose du milieu et à mieux dégrader certaines fractions de la matière organique plus résistante. Toutefois l'utilisation d'un prétraitement aérobie peut provoquer une oxydation excessive des déchets, limitant leur potentiel méthanogène. Par conséquent, il est indispensable de bien maîtriser les conditions d'aération. Ce travail de thèse avait donc l'objectif de valider l'impact du prétraitement aérobie dans la digestion anaérobie de déchets de cuisine et de suggérer quel mode de mise en œuvre du prétraitement aérobie faudrait préconiser. / Given the strong incentive to source separation of organic fractions of household waste, the development of anaerobic processes on a small scale (10 to 100 t of waste per year) could see significant growth. However, to validate this scale of operation, stability and efficiency of the treatment process will represent crucial issues. Concerning anaerobic processes, the hydrolysis step is the limiting step for two reasons. First, due to relatively slow kinetics, non-uniform degradation of structural carbohydrates (e.g. cellulose) may be produced. On the other hand, the rapid transformation of easy biodegradable compounds produces a rapid production of volatile fatty acids, which may lead to their accumulation, inhibiting the methanogenic activity. To overcome the problems associated with the hydrolysis step, many studies have been conducted on the mechanical, thermal or chemical pre-treatment of the organic matter introduced into the digesters. In comparison, the use of an aerobic biological pre-stage has been relatively less studied. Aerobic degradation can indeed eliminate more biodegradable fractions to reduce the risk of acidosis in the digester and enhance the degradation of some recalcitrant organic fraction. However the duration of the aerobic treatment should be well managed not to oxidize excessively the methanogenic potential of the pre-treated organic waste. The aim of the thesis was be to validate the effectiveness of a pre-treatment to improve the anaerobic digestion of food waste and to suggest the best ways to implement this pre-treatment.

La respiration anaérobie peut être un trait essentiel dans le mode de vie, la colonisation de l'environnement et la survie. Jusqu'à présent, la seule respiration anaérobie confirmée chez Agrobacterium spp. est la dénitrification. De façon intéressante, cette voie est inégalement répandue chez les agrobactéries. Ces observations m'ont amené à mon hypothèse, à savoir la respiration anaérobie et notamment la dénitrification pourraient expliquer la coexistence d'agrobactéries et leur distribution dans des niches spécifiques de la rhizosphère. Ma thèse visait à explorer les stratégies de respiration anaérobie d’Agrobacterium spp. et de les relier à l'adaptation de niche écologiques différentes. Les objectifs de ma thèse étaient (1) de caractériser tous les gènes impliqués dans la dénitrification chez A. fabrum C58 in vitro, (2) d'explorer les gènes de la dénitrification nécessaires à la colonisation des racines du maïs et (3) de découvrir de nouvelles respirations anaérobies pendant la colonisation racinaire du maïs (Figure 16). Réaliser des mutants et les tester dans des conditions particulières est le moyen classique de déterminer l'implication d'un gène dans une voie spécifique. Cependant, cette méthode implique une vision à priori et des connaissances solides sur les gènes cibles et ne peut pas être appliquée à toutes les situations. Nous avons alors dû développer une méthode plus adaptée pour identifier les gènes essentiels impliqués dans la croissance dans des conditions anaérobies spécifiques. - Gènes de dénitrification chez A. fabrum C58 in vitro. Pour compléter la voie de dénitrification chez A. fabrum C58 et identifier tous les gènes et régulateurs impliqués dans la dénitrification, nous avons adopté deux stratégies : Premièrement, une vision à priori pour (1) identifier la nitrate réductase impliquée dans la première étape de la dénitrification et (2) valider le rôle d'un ARN non codant dans le contrôle de la dénitrification. Pour ce faire, nous avons construit un mutant napA de A. fabrum C58 et un mutant de l'ARN non codant NopR et nous avons évalué leur croissance et leur capacité à produire du N2O dans des conditions anoxiques. Deuxièmement, pour identifier tous les gènes impliqués dans la dénitrification, nous avons construit une banque de transposons mutants de C58 et testé sa croissance dans des conditions de dénitrification in vitro en présence de nitrate ou de nitrite. - Rôle des gènes de la denitrification de A. fabrum C58 dans la colonisation racinaire du maïs. Il est bien connu que le séquençage de transposons (Tn-Seq) est une méthode très puissante pour déterminer les gènes nécessaires à la croissance bactérienne en présence de leur hôte. Pour déterminer les gènes de dénitrification impliqués dans la colonisation des racines en anoxie, nous avons utilisé la banque construite chez C58 et l’avons inoculée sur les plants de maï cultivées sur un sol fertile et cultivées dans des conditions inondées mimant des conditions anaérobies. Le séquençage des cellules d ‘A. fabrum C58 récupérées mettra en évidence les gènes impliqués dans la colonisation anaérobie de cette niche spécifique. - Découverte de nouvelles voies de respiration anaérobie chez A. fabrum C58. Pour découvrir de nouvelles voies de respiration anaérobie, nous avons mis en place des tests de croissance de C58 dans des conditions anoxiques en présence de sources de C et de N en tant qu'accepteurs terminaux d'électrons. De façon interéssante, en cultivant des souches WT et mutée dans le gène napA au contact de la racine de maïs dans des conditions anoxiques (chapitre 1), nous avons montré une croissance des deux souches. Ce résultats suggère que les exsudats de racine servent d'accepteurs d'électrons terminaux pour la croissance anaérobie de C58. Pour déterminer quels composés exsudés du maïs peuvent servir de TEA, les principaux métabolites ont été identifiés par HPLC et certains ont été testés en tant que TEA dans des conditions anoxiques / Anaerobic respiration may be an essential trait in lifestyle, environment colonization and survival. Until now, the only confirmed anaerobic respiration in Agrobacterium spp. is denitrification. Interestingly, this pathway is unequally widespread among Agrobacteria. These observations led me to my hypothesis which is anaerobic respiration and notably denitrification could explain the coexistence of Agrobacteria and their distribution in specific niches in the rhizosphere. My thesis was undertaken to explore the anaerobic respiration strategies of Agrobacterium spp. and to relate them to niche adaptation. The objectives of my thesis were to (1) characterize all the genes involved in denitrification in A. fabrum C58 in vitro, (2) explore the genes of denitrification that are needed during maize root colonization and (3) discover new anaerobic respirations that occur during maize root colonization (Figure 16). Mutational analysis is the classic way to determine the involvement of a gene in specific pathway. However, this method implies an a priori view and solid knowledge on target genes and cannot be applied for every situation. We have to develop a more adapted method to identify essential genes involved in growth in specific anaerobic conditions. - Denitrification genes in A. fabrum C58 in vitro. To complete denitrification pathway in A. fabrum C58 and identify all the genes and regulators involved in the denitrification function, we adopted two strategies: Firstly, an a priori view to (1) identify the nitrate reductase involved in the first step of denitrification and (2) validate the role of a non-coding RNA in denitrification control. To do so, we constructed a mutant of napA of A. fabrum C58 and a mutant of the non-coding RNA NopR and we evaluated their growth and capacity to produce N2O under anoxic conditions. Secondly, to identify all the genes involved in denitrification, we constructed a mutant transposon library of C58 and tested its growth under denitrification conditions in vitro in the presence of either nitrate or nitrite. - Role of A. fabrum C58 denitrifying genes in the root colonization of maize. It is well known that Transposon-sequencing (Tn-Seq) is a very powerful method to determine genes required for bacterial growth in the presence of their host. To determine denitrifying genes involved in root colonization under anaerobic conditions, we used the library constructed in C58 and performed in planta assays. The mutant library was inoculated on maize plants grown on fertile-ground and cultured under flooded conditions miming anaerobic conditions. Sequencing the recovered A. fabrum C58 cells will evidence the genes involved in this anaerobically specific niche colonization. - Discovery of new anaerobic respiration pathways in A. fabrum C58. To discover new anaerobic respiration pathways, we set-up growth assays of C58 under anoxic conditions in the presence C and N sources as terminal electrons acceptors. Interestingly, by culturing WT and NapA-deficient strains in contact with maize root under anoxic conditions (Chapter 1), we showed growth of both strains, suggesting that root exudates serve as terminal electrons acceptors for anaerobic growth of C58. To determine which maize exuded compounds can serve as TEAs, primary metabolites were identified by HPLC and some were tested as TEAs under the set-up conditions

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Les procédés anaérobies de traitement de déchets apparaissent clairement pouvoir répondre à l'enjeu socio-économique actuel que représente la valorisation énergétique de la fraction organique contenue dans les déchets ménagers. En effet, les processus de dégradation anaérobies font intervenir en cascade, différentes réactions et populations de micro-organismes permettant de transformer la matière organique en biogaz riche en méthane. Une bonne connaissance des effets des paramètres opérationnels sur l'orientation des métabolismes s'avère ainsi nécessaire à l'émergence de solutions permettant d'optimiser ces procédés. Ceci est notamment le cas pour la dernière étape, appelée méthanogenèse. Dans ce contexte, l'approche isotopique reposant sur la mesure de la composition isotopique (13C/12C) du méthane et du dioxyde de carbone, devrait pouvoir répondre à cet objectif en permettant l'identification des métabolismes à l'origine de la production du méthane. La transposabilité à l'étude de la digestion anaérobie des déchets de cette approche isotopique déjà utilisée dans les écosystèmes naturels, a tout d'abord été vérifiée expérimentalement. Les effets de certains paramètres opérationnels connus pour avoir un impact fort sur le processus de digestion anaérobie, tels que la température et la concentration en azote ammoniacal, ont ensuite été étudiés. Il a été mis en évidence qu'en condition thermophile, la méthanogenèse acétoclaste observée en condition mésophile, était remplacée par une oxydation syntrophique de l'acétate lors de la digestion anaérobie des déchets ménagers. Des expériences sur acétate ont montré que cet effet sur les voies métaboliques n'était toutefois pas systématique et pourrait ne pas être dû à un effet direct d'une augmentation de la température, mais plutôt à l'accroissement de la concentration en ammoniaque qui en résulte. D'autres expériences ont clairement établi qu'une augmentation de la concentration en azote ammoniacal conduisait également à la mise en place de l'oxydation syntrophique de l'acétate. Le couplage de l'approche isotopique avec des analyses microbiologiques a révélé que cette réaction d'oxydation syntrophique de l'acétate, à haute concentration en azote ammoniacal, pouvait s'établir telle que déjà décrite, par la mise en place d'une relation symbiotique bactéries/archées hydrogénotrophes strictes, mais également de manière différente en impliquant des membres de la famille Methanosarcinaceae qui pourraient réaliser seuls les deux étapes de la réaction (oxydation et méthanogenèse hydrogénotrophe). L'application de l'approche isotopique a également permis de mettre en évidence, lors d'une expérience visant à simuler la recirculation de différents effluents au sein d'une installation de stockage de déchets bioactive, l'influence de la nature de l'effluent sur l'orientation des métabolismes méthanogènes. Enfin, l'influence de la proportion de déchets verts, lors de la co-digestion biodéchets / déchets verts, sur la concentration en ions ammonium libérés ainsi que sur l'orientation du métabolisme en résultant, a été étudiée. Les potentialités d'une utilisation de l'approche isotopique sur site ont également été investiguées au travers d'une campagne de mesures sur une installation de stockage de déchets non dangereux. / Anaerobic waste treatment processes are clearly part of the answer to a current important socio-economic issue in waste management: energy production from the organic fraction of municipal solid waste. The anaerobic digestion of municipal solid waste is a complex process involving numerous reactions and microorganism communities. At the end of the degradation process, some biogas with a particularly high methane content is produced. A detailed knowledge on how operational parameters affect metabolism orientations is required to optimize these treatment processes. This is in particular the case for the last degradation reaction called methanogenesis. In this context, an isotopic approach based on isotopic composition measurements (13C/12C) for methane and carbon dioxide can provide some clues with regard to this objective. Indeed, this methodology enables the determination of the methanogenic pathways by which methane is produced.Transferability of the isotopic approach used for natural ecosystems to the field of anaerobic digestion of municipal solid waste was first experimentally verified. In a second time, the effects of some operational parameters known to strongly impact the anaerobic digestion process, such as temperature and ammonia concentration, were studied. During anaerobic digestion of reconstituted municipal solid waste in thermophilic conditions, it was shown that aceticlastic methanogenesis (occurring in mesophilic conditions) was replaced by a syntrophic acetate oxidation reaction. Additional experiments using acetate as sole substrate were performed and showed that this effect on the metabolic pathways was not systematic. Consequently, it cannot be due to a direct effect of the temperature increase. It could rather be explained by the induced and indirect increase in ammonia concentration. Additional experiments clearly demonstrated that an increase in ammonia concentration led to the establishment of a syntrophic acetate oxidation reaction. The isotopic approach was combined with microbiological analyses and showed that the syntrophic acetate oxidation reaction occurring at high ammonia concentration during acetate incubations could have been performed through a syntrophic relationship between bacteria and strict hydrogenotrophic archaea, as previously described in the literature. Interestingly, the syntrophic acetate oxidation could also have occurred using a different pathway relying on members of the Methanosarcinaceae family putatively able to perform the two steps of the reaction (oxidation and hydrogenotrophic methanogenesis). In addition, the implementation of the isotopic approach during an experiment designed to simulate a landfill bioreactor evidenced the influence of the effluent's nature on the methanogenesis metabolism orientation. The influence of green waste proportion during the co-digestion of biowaste / green waste mixtures on resulting ammonia concentrations and methanogenesis pathways was also studied through dedicated experiments. Finally, the potential of the isotopic approach for landfill-scale application was investigated through a measurement campaign on a landfill site.

Ce travail de thèse a eu pour objectif principal l'étude thermodynamique des changements métaboliques dans l'acidogénèse. L'acidogénèse est un procédé anaérobie à double intérêt qui en traitant des résidus organiques, permet de produire des composés chimiques comme l'hydrogène, l'éthanol et les acides organiques. Par conséquent, l'acidogénèse se place comme un procédé biotechnologique dans le concept de bioraffinerie. En outre, ce processus n'a pas besoin de conditions stériles d'opération et fonctionne sur une large gamme de pH. Ces changements métaboliques sont dépendants des modifications dans les conditions opératoires. Afin d'étudier ces changements métaboliques, des expériences basées sur des modifications du ciel gazeux du réacteur par introduction d'azote et sur des changements du pH, ont été menées. Un des résultats les plus intéressants a été l'augmentation du rendement de production d'hydrogène de 1 à 3,2 molH2/molglucose à pH 4,5 et débit de N2 de 58,4 L/d. Ce rendement est proche de la valeur théorique (4 molH2/molglucose). L'étude thermodynamique a permis d'expliquer les mécanismes métaboliques concernant l'hydrogène, dont la production importante, représentée par le rendement de 3,2 molH2/molglucose, est due à la réaction inverse H2/NAD+, qui est thermodynamiquement faisable à faibles pressions partielles d'hydrogène (par exemple 0,02 bar). En outre, les bas rendements en hydrogène ont été expliqués par l'action consommatrice d'hydrogène par la réaction d'homoacetogénèse. Cependant, le modèle n'a pas été capable d'expliquer les changements métaboliques de l'acétate, du butyrate et de l'éthanol lors de la fermentation acidogénique du glucose. / This thesis deals with thermodynamic based modelling of metabolic shifts during acidogenic fermentation. Acidogenic fermentation is an anaerobic process of double purpose: while treating organic residues, it produces chemical compounds, such as hydrogen, ethanol and organic acids. Therefore, acidogenic fermentation arises as an attractive biotechnology process towards the biorefinery concept. Moreover, this process does not need sterile operating conditions and works under a wide range of pH.Changes of operating conditions produce metabolic shifts, inducing variability on acidogenic product yields. In order to study these metabolic shifts, an experiment design was based on reactor headspace N2-flushing (gas phase) and pH step changes (liquid phase). A major result was the hydrogen yield increase from 1 to 3.2 (molH2/molglucose) at pH 4.5 and N2-flushing of 58.4 L/d. This yield is close to the theoretical acidogenic value (4 molH2/molglucose).The thermodynamic model, based on the assumption that acidogenic fermentation is characterised by limited energy available for biological process, allowed to explain the mechanisms that govern hydrogen metabolic shifts, showing that the synthesis of extra hydrogen, i.e. yield of 3.2 (molH2/molglucose), was due to reverse H2/NAD+ redox reaction, which is thermodynamically feasible at low hydrogen partial pressures (e.g. 0.02 bar). Moreover, low hydrogen yields were explained by the action of homoacetogenesis hydrogen consuming reaction. However, the model was not capable to explain the metabolic shifts of acetate, butyrate and ethanol on acidogenic glucose fermentation.

Les Argiles de Boom ont été identifiées par le SCK-CEN comme un éventuel site de stockage de déchets nucléaires en couche géologique profonde : elles font l’objet d’études dans le laboratoire souterrain de Mol (Belgique). Dans ce contexte, il est important d’évaluer les conséquences du creusement de galeries sur les propriétés de ces Argiles. Ce travail de thèse cible plus particulièrement les effets d’oxydation à l’air et de biodégradation anaérobie sur la MO fossile. Les expériences d’oxydation ont combiné des suivis expérimentaux (série artificielle) et des études sur des échantillons altérés in situ (série naturelle) dans les galeries du laboratoire. Elles ont ciblé le kérogène, la MOE et MOD. La confrontation des données des deux séries révèle que nos simulations expérimentales sont représentatives des processus ayant lieu dans les galeries. Ces travaux démontrent aussi que l’oxydation induit (i) une augmentation importante de la quantité de MOD et (ii) une modification majeure de la chimie de la MOE et de la MOD caractérisée par la formation de molécules oxygénées de faible poids moléculaire. Par ailleurs, l’étude comparative des eaux issues des échantillons altérés avec celles prélevées dans les piézomètres du site démontre que ces dernières ne sont pas affectées par des processus d’oxydation et sont comparables aux eaux issues des échantillons sains. Des expériences de biodégradation menées sur des argiles saines et préalablement oxydées artificiellement n’ont montré aucune évolution significative de la MO fossile (MOE et MOD); la biodégradation anaérobie n’est donc pas un processus dominant dans le contexte des perturbations induites par les excavations / The Boom Clay was focused because it is identified by SCK-CEN as a possible radioactive waste storage in the geological disposal site and in situ experiments are performed in the underground laboratory of Mol (Belgium). In this context, it is important to assess the consequences of galleries excavation on the properties of the Boom Clay. The particular focus of this study is the effects of air oxidation and anaerobic biodegradation on the OM. The experiments dealing with the effects of air oxidation have combined studies of artificial oxidized samples (artificial series) and samples altered in the gallery of the underground laboratory (natural series). These experiments focus on the Kerogen, the EOM and the DOM. The comparison of data from artificial and natural series shows firstly that our experimental simulations are the representative of processes taking place in the galleries. These studies show that air oxidation induced (i) a significant increase in the amount of DOM and (ii) a major change in the chemistry of the EOM and DOM characterized by the formation of low molecular weight oxygenated molecules. Moreover, comparison between water extracted from altered samples and piezometers shows that the water of the site is not affected by oxidation processes. The piezometer water samples are similar to that extracted from non-altered samples. Biodegradation experiments conducted on non altered and artificially oxidized clay did not show significant changes of fossil and dissolved organic matter. It seems that anaerobic biodegradation is not a major process in the context of disturbances induced by the excavation

Au cours de cette thèse, les prévisions de la méthodologie d’Analyse de Cycle de Vie (ACV) sont améliorées, via l’exergie, pour l’analyse et l’éco-conception des procédés. Nous mettons l’accent sur le potentiel de l’analyse exergétique et de la Consommation d’Exergie Cumulée (CExC) dans l’évaluation du critère d’épuisement, de productivité et de recyclabilité des ressources naturelles. Dans ce cadre, les transferts de pollutions et les impacts environnementaux d’un système de traitement des eaux résiduaires (STEP) ont été analysés en relation avec l’exergie consommée (CExC) et de l’exergie détruite (étude a priori). L’étude montre que la décision est différente lorsque l’indicateur d’épuisement des ressources naturelles est basé sur la méthode CExC de celle basée sur la méthode CML. L’amélioration de l’éco-efficacité d’une STEP implique un recyclage des boues en agriculture. La stabilisation des boues par digestion anaérobie réduit le volume des boues et ainsi l’impact du transport en comparaison avec la stabilisation à la chaux. Toutefois, elle réduit le potentiel fertilisant des boues, d’une part, et augmente la consommation d’énergie et l’impact du réchauffement climatique à cause du traitement des retours en tête d’autre part. Bien que la valorisation du biogaz en cogénération réduise la dépendance énergétique de la STEP et améliore son éco-efficacité globale en comparaison avec le chaulage, elle n’offre pas la possibilité à un séchage des boues. Le séchage des boues constitue l’une des recommandations des agriculteurs, bien qu’il n’améliore pas le l’éco-efficacité globale de la STEP, en augmentant l’épuisement et l’exergie détruite des ressources brutes et du biogaz / The focus of the work has been to improve the predictions of Life Cycle Assessment (LCA) via exergy for processes analysis and eco-design. The potential of the exergetic analysis and Cumulative Exergy Consumption (CExC) in estimating the criterion of depletion, productivity and recyclability of natural resources has been investigated. In this context, the transfer of pollutants and the environmental impacts of a wastewater treatment system (WWTP) have been analyzed in relation with the consumed exergy (CExC) and the destroyed exergy. The study shows that decision is different if the indicator of depletion of natural resources is based on the method of CExC or on the CML method. The improvement of the overall eco-efficiency of a WWTP involves a recycling of sludge in agriculture. Stabilization of sludge by anaerobic digestion reduces the volume of sludge and consequently the impact of transport in comparison with the stabilization with lime. However, on one hand, it reduces the fertilizer potential of sludge. On the other hand it increases energy consumption and the impact of the global warming because of the treatment of digested sludge supernatant recycled to the WWTP. Although the recovery of biogas by cogeneration reduces the energy dependency of the WWTP and improves its overall eco-efficiency in comparison with the liming scenario, it does not provide the possibility for sludge drying. Drying the sludge is one of the recommendations of farmers, although it does not improve the overall eco-effectiveness of the WWTP, and increases the depletion and the destroyed exergy of raw resources and biogas

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Reconnu par leur effet toxique, inhibiteur et corrosif, les sulfures (S2-, SH-, SH2) sont un sous-produit indésirable de la digestion anaérobie des boues de station de traitement des eaux domestiques de la ville de Marrakech, Maroc (STEP). Ils proviennent essentiellement de la réduction "dissimilatrice" des composés soufrés (SO4 2-, SO3 2-, S2O4 2- ..) contenus dans ces boues. Ce processus est réalisé par un groupe bactérien anaérobie appelé bactéries sulfatoréductrices (BSR). Une fois dans le biogaz, les sulfures sous forme gazeuse réduisent en plus la durée de vie des installations et des équipements de la STEP. Elle est ainsi dotée d’installations biologiques et physico-chimiques lui permettant d’éliminer ces sulfures avant la transformation du biogaz en énergie électrique. Cependant, ces procédés sont onéreuses et grandes consommatrices d’énergies. D’où l’idée de minimiser la production des sulfures au sein même des digesteurs anaérobies. Pour cela, il était nécessaire d’abord de connaître les microorganismes à l'origine de la production des sulfures (BSR), ceux potentiellement impliqués dans leur élimination (bactéries sulfo-oxydantes), et d’un groupe de microorganismes fermentaires (Synergistetes) intervenant dans le bon fonctionnement de la digestion anaérobie. Ces études ont été menées à la fois sur des d'approches moléculaires et culturales. Les résultats obtenus, ont permis de comprendre comment ces groupes bactériens, d’intérêts écologique et économique importants, interviennent dans la digestion anaérobie des boues de la STEP permettant à la fois d’accélérer les processus d’oxydation de la matière organique combinée à la réduction des composés soufrés et de minimiser la concentration des en sulfure dans le biogaz. / Recognized by their toxic, inhibitory and corrosive effect, sulfides (S2-, SH-, H2S) are an undesirable by-product of the anaerobic digestion of from domestic wastewater treatment plants sludge in the city of Marrakech, Morocco (WWTP). They produced mainly by the dissimilatory reduction of sulfur compounds (SO42-, SO32-, S2O42-) contained in these sludges. This process is performed by an anaerobic bacterial group called sulfate reducing bacteria (SRB). Once in the biogas, the sulfides in gaseous form shorten in addition the lifetime of the installations and equipments of the WWTP. It is thus equipped with biological and physicochemical installations allowing it to eliminate these sulfides before the transformation of biogas into electrical energy. However, these processes are expensive and consume large amounts of energy. Hence the idea of minimizing the production of sulfides within anaerobic digesters. For this, it was first necessary to know the microorganisms originating of the production of sulfides (SRB), those potentially involved in their elimination (sulfur oxidizing bacteria), and a group of fermentative microorganisms (Synergistetes) involved in the good functioning of the anaerobic digestion. These studies were conducted on both molecular and cultural approaches. The results obtained allowed to understand how these bacterial groups, of great ecological and economic interest, are involved in the anaerobic digestion of sludge from the WWTP, which both accelerates the oxidation processes of the organic matter combined with the reduction of sulfur compounds and to minimize the concentration of sulfide in biogas.

Le traitement biologique des eaux usées urbaines et industrielles reste une activité ayant un impact négatif sur l’environnement et sur le changement climatique par l’émission des gaz à effet de serre (GES), notamment le CO2. Les changements innovants au niveau des procédés de traitement des eaux usées par l’intégration des flocs de microalgues-bactéries ont abouti à des procédés multitrophiques sans apport d’O2 et sans dégagement du CO2. Il s'agit d'une étude de faisabilité de ces flocs-MaB pour la photobioremédiation des polluants (organiques et minéraux) et pour la production de biomasse valorisable en bioénergie dans le cadre de l'économie circulaire. En présence de la lumière, les flocs-MaB ont été intégrés dans des photobioréacteurs à biomasse fixe afin d'assurer un traitement durable des eaux usées grâce aux échanges symbiotiques entre les micro-oragnismes en terme de nutriments et de gaz. L'encapsulation des flocs-MaB dans des billes de PVA-alginate a montré l'effet des conditions physico-chimiques et hydrodynamiques sur l'élimination des polluants et l'évolution multicellulaire des flocs au sein des réacteurs à multi-échelles. Par ailleurs, la biomasse multitrophique immobilisée sur des supports biodégradables d'olive (OPP) et sur des disques en PVC a assuré une meilleure performance des bioréacteurs à lit fluidisé et à disques rotatifs, respectivement, pour la bioremédiation des eaux usées. Les propriétés des supports (porosité, rugosité et structure) et les comportements hydrodynamiques ont été contrôlés pour favoriser l'attachement des biofilms multitrophiques. Le développement de biofilm montre l'effet des interactions multitrophiques entre les microalgues et les bactéries sur l'élimination des composés organiques (DCO) et nutriments (ammonium et phosphore). La biomasse des flocs-MaB a été récupérée et réutilisée pour le traitement du digestat liquide à l'issu du digesteur et pour améliorer la production de biométhane par une co-digestion anaérobie. Ce procédé multitrophique et intégré permet d'obtenir Zéro déchet à la sortie du processus / The biological treatment of urban and industrial wastewaters represents a process with a negative impact on the environment and on climate change through the emission of greenhouse gases (GHG), particularly CO2. In the presence of light, microalgae-bacteria flocs (MaB-flocs) have been integrated into photobioreactors with fixed biomass to ensure a sustainable wastewater treatment without O2 supply and CO2 release. The entrapment of flocs in PVA-alginate beads has shown the effect of physicochemical and hydrodynamic conditions on the elimination of pollutants and the multicellularity evolution within multi-scale bioreactors. In addition, the immobilization of biomass on biodegradable olive carriers and on PVC disks provided a better performance of fluidized bed and rotating discs bioreactors, respectively, for the bioremediation of wastewater. The properties of the supports (porosity, roughness, and structure) and the hydrodynamic behaviors have favored the attachment of multitrophic biofilms. Biofilm development shows the effect of multitrophic interactions between microalgae and bacteria on the organic compounds (COD) and nutrients (ammonium and phosphorus) removals. The MaB-flocs biomass was recovered and reused for the treatment of the digestate and to improve the production of biomethane by anaerobic co-digestion. This integrated multitrophic technology makes it possible to obtain zero wastes at the end of the process