From describing to managing environmental biotechnologies, through a combination of molecular ecology and biostatistics
De la description à la gestion des biotechnologies environnementales en combinant des approches d’écologie moléculaire et de biostatistique
Résumé
Anaerobic digestion (AD) is a microbiological process of degradation of the organic matter which produces biogas rich in methane that can be converted into valuable electrical and thermal energy. It is commonly used to manage different types of organic waste at industrial scale using anaerobic digesters. In a context of environmental protection and research for increasing energy efficiency, AD arouses a renewed interest because it allows converting waste into an energy resource. However, this bioprocess is not fully mastered and still has an important potential for improvement. Such situation is mainly due to the limitation of microbial-based management of anaerobic reactors as the microbiome, which is the key player of the AD process, still remains largely unknown. Indeed, key microorganisms driving the AD process form an extremely complex microbial community, mainly composed of bacteria and archaea, able to degrade the organic matter across multiple pathways. One of the major limitations of AD is the important susceptibility of the microbial community to changes in operational conditions of the digesters. It can lead to unstable methane formation. This manuscript presents my contribution to enlighten on the functioning of microbial communities of this environmental biotechnology. It is divided in 5 parts. The first part introduces briefly the topic and the issues of my research, which calls on the use of different molecular ecology techniques and, more recently, biostatistics. Three chapters summarize the main works carried out nd the results obtained. The first chapter focuses on the use of stable isotopes to describe the degradation of specific substrates and identify functional microorganisms in anaerobic digesters. The second chapter presents my contributions to the better understanding of the effect of different inhibitors on AD microbiome dynamics and performances, as well as management strategies tested to mitigate the inhibition. The third chapter describes recent works combining computational statistics with high-throughput methodologies to make the most of the generated information, and develop data-driven approaches. The last part presents the perspectives envisaged to extend and enhance the work already carried out.
La digestion anaérobie (DA) est un processus microbiologique de dégradation de la matière organique qui produit du biogaz. Ce biogaz est riche en méthane qui peut être converti en énergie électrique et thermique. La DA est couramment utilisée pour traiter différents types de déchets organiques à l'échelle industrielle dans des digesteurs anaérobies. Dans un contexte de protection de l’environnement et d’accroissement de l’efficacité énergétique, elle suscite un regain d’intérêt car elle permet de transformer les déchets en ressource énergétique. Cependant, ce bioprocédé n'est pas complètement maîtrisé et présente encore un potentiel
d'amélioration important. Cette situation est due principalement à l’absence de méthodes de gestion prenant explicitement en compte le microbiome de la DA. Les microorganismes clés responsables du processus de la DA restent en effet méconnus. Ils forment une communauté microbienne extrêmement complexe, composée principalement de bactéries et d’archées, capable de dégrader la matière organique par de multiples voies. L'une des principales limites de la DA est la grande vulnérabilité de cette communauté microbienne aux modifications des conditions de fonctionnement des digesteurs. Cela peut avoir pour conséquence une production de méthane instable. Ce manuscrit présente ma contribution pour améliorer les connaissances sur le fonctionnement des communautés microbiennes de cette biotechnologie environnementale. Il est divisé en 5 parties. La première partie présente brièvement le sujet et les enjeux de ma recherche, qui fait appel à différentes techniques d’écologie moléculaire et, depuis peu, aux biostatistiques. Trois chapitres résument les principaux travaux réalisés et les résultats obtenus. Le premier chapitre porte sur l'utilisation d'isotopes stables pour tracer la dégradation de substrats spécifiques et identifier les microorganismes fonctionnels dans les digesteurs anaérobies. Le deuxième chapitre présente mes contributions pour une meilleure compréhension de l’effet d’inhibiteurs sur la dynamique et les performances du microbiome de la DA, ainsi que diverses stratégies de gestion permettant d’atténuer l’inhibition. Le troisième chapitre décrit des travaux récents associant des statistiques à des méthodologies à haut débit afin de tirer le meilleur parti des informations générées et de développer des approches data-driven. La dernière partie présente les perspectives envisagées pour étendre et améliorer le travail déjà effectué.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)