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Caractérisation de la flore microbienne de bioréacteurs effectuant de la déphosphatation biologique à partir d’affluents piscicoles synthétiques ou naturels.

Bigras, Sébastien (2012). Caractérisation de la flore microbienne de bioréacteurs effectuant de la déphosphatation biologique à partir d’affluents piscicoles synthétiques ou naturels. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut National de la Recherche Scientifique, Doctorat en biologie, 168 p.

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Résumé

Bien que la déphosphatation biologique soit observée depuis les années 1960, on comprend encore mal la nature des processus qui entrent en jeu. La principale raison de cette méconnaissance réside dans le fait que la ou les espèces bactériennes responsables de ce procédé n'ont pu être isolées et cultivées en cultures pures. Il demeure donc hypothétique d'attribuer à une seule espèce la capacité d'effectuer la déphosphatation biologique. Par contre, des enrichissements récents ont renforci l'hypothèse que « Candidatus Accumulibacter phosphatis » (CAP) serait le principal organisme accumulateur de phosphate (OAP). Bien que des enrichissements d'OAP aient eu lieu dans des systèmes fonctionnant en boues activées, peu d'exemples d'enrichissement ont été réalisés en utilisant la formation de biofilm sur des lits mobiles. Pour cette étude, un nouveau procédé a été développé pour effectuer la déphosphatation biologique dénitrifiante d'eaux usées contenant de hauts niveaux de nitrate et de phosphate et une faible quantité de matière organique. Ce procédé met en jeu un affluent riche en phosphates et en nitrates, un réacteur séquentiel à lit mobile et un bassin d'accumulation contenant une source de carbone. Le phosphore de l'affluent est accumulé par le biofilm fixé sur les biobilles du réacteur pendant la phase aérobie. L'eau de l'affluent est ensuite remplacée dans le réacteur par une eau anaérobie provenant du bassin d'accumulation (nommé concentrat) qui contient de l'acétate comme source de carbone. Pendant la phase anaérobie, le phosphore est relargué par le biofilm dans l'eau du concentrat. Un autre cycle était alors entamé en remplaçant l'eau du concentrat par l'eau de l'affluent à traiter. L'eau du bac de concentrat est conservée pendant plusieurs cycles. Ce procédé pourrait s'avérer utile dans les systèmes fonctionnant en circuit fermé ou semi-ouvert comme les aquariums et les aquacultures afin de prévenir 1'accumulation des nitrates et des phosphates et de réduire la pollution engendrée par ces types d'opération. En effet, l'industrie piscicole rejette dans l'environnement des quantités importantes de phosphate et de nitrate principalement contenu dans la nourriture n'ayant pas été consommée par les poissons, ainsi que dans leurs féces. Le problème est littéralement dilué dans l'énorme quantité d'eau que les systèmes ouverts (les plus répandus) utilisent. Actuellement, l'industrie subit des pressions des instances gouvernementales afin qu'elle assainisse ses rejets et qu'elle réduise la quantité d'eau utilisée. Le système que nous proposons répond à ces deux demandes. Pour sa part, le Biodôme de Montréal, fonctionnant déjà en circuit fermé, a vu ses niveaux de nitrates et de phosphates augmenter de manière constante depuis la création du Saint-Laurent marin. Un système de dénitrification a été mis en fonction en il y a plusieurs années, mais le problème d'excès de phosphate restait entier. Quatre expériences ont été réalisées, les trois premières en eau douce et la quatrième en eau salée. L'Expérience 1 a été effectuée avec l'effluent d'un aquarium d'eau salée fonctionnant en circuit fermé. Expérience II a consisté à développer le mode d'opération du procédé avec un affluent entièrement synthétique. L'Expérience III a consisté à optimiser le mode d'opération du procédé avec aussi un affluent synthétique. Finalement, l'Expérience N a consisté à utiliser un des réacteurs pour traiter l'effluent d'une pisciculture. La déphosphatation biologique a été observée et mesurée dans les Expériences Il, III et N, mais non dans l'Expérience 1. Par contre, les performances d'enlèvement du phosphate de l'expérience 1 étaient en deçà des attentes. Elle a donc été abandonnée. Pour les expériences Il, Ill et IV, les paramètres biochimiques (polyhydroxyalkanoates (PHA), glycogène, polyphosphates) ont varié au cours des cycles de façon souvent similaire à ce qui a été observé dans d'autres systèmes de déphosphatation biologique. En utilisant la technique de PCR avec des amorces spécifiques au gène codant pour l'ARN ribosomal (ARNr) 16S de CAP, nous avons démontré la présence de cette bactérie dans le biofilm des trois dernières expériences. Aussi, par hybridation in situ avec des sondes fluorescentes (FISH), nous avons estimé que CAP constituait 30% du biofilm de l'Expérience III. L'apparition d'autofluorescence dans certains échantillons de l'Expérience IV nous a amenés à nous questionner sur les causes possibles de ces résultats. Nous avons ensuite examiné la diversité microbienne du biofilm en clonant et séquençant les gènes codant pour l'ARNr 16S. La plupart des séquences d'ARNr 16S obtenues étaient affiliées avec des séquences provenant de procédés de déphosphatation biologique. Autour de 20% d'entre elles étaient apparentées à des organismes accumulateurs de phosphate (OAP), alors qu'environ 30% étaient proches des organismes accumulateurs de glycogène (OAG), des compétiteurs des OAP. Bien que l'expérience avec l'eau salée (1) n'ait pas donné les résultats escomptés, les autres expériences ont permis l'enlèvement de phosphate. Cependant, la complexité et les coûts associés à la mise en place et à l'opération d'un tel système font en sorte qu'il nous paraît improbable qu'il puisse être adapté pour les entreprises piscicoles. Au mieux, les aquariums publics pourraient utiliser ce système en eau douce et obtenir des résultats intéressants écologiquement avec des enlèvements significatifs, moyennant des coûts d'exploitation rehaussés.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Villemur, Richard
Co-directeurs de mémoire/thèse: Parent, Serge (Biodôme de Montréal)
Mots-clés libres: bacterie ; biodome ; montreal ;candidatus ; biofilm
Centre: Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt: 09 nov. 2015 19:19
Dernière modification: 09 nov. 2015 19:19
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1967

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