La méthanisation est un procédé permettant la transformation, par des microorganismes, de la matière organique fermentescible en deux produits d’intérêt, le biogaz et le digestat. Le biogaz est majoritairement constitué de CH4 et de CO2 et est valorisé pour produire de l’énergie. Le digestat peut être utilisé en tant que fertilisant à des fins agronomiques. La méthanisation, en utilisant des déchets comme substrats, pour produire de l’énergie renouvelable, s’inscrit dans des dynamiques d’économie circulaire et de transition énergétique. Il s’agit par conséquent d’un secteur en pleine croissance. La plupart des digesteurs dans lesquels ce procédé est réalisé sont construits, à l’échelle industrielle, en béton. Les produits du métabolisme des microorganismes impliqués dans le procédé de méthanisation, particulièrement le CO2, les acides gras volatils et les ions NH4+, induisent un phénomène de biodétérioration des matériaux cimentaires. Plus précisément, la formation d’un biofilm microbien sur la surface du béton est susceptible d’amplifier ce phénomène sans pour autant connaître les mécanismes impliqués.
Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR BIBENDoM. Elle a pour objectifs : (i) d’apporter une meilleure compréhension du rôle aggravant du biofilm dans le phénomène de biodétérioration des matrices cimentaires, (ii) d’évaluer l’effet individuel de biofilms mono-espèces produisant un seul type de métabolites agressifs et (iii) de proposer des solutions techniques pour limiter l’action dégradante du biofilm sur les matériaux cimentaires, en exploitant les connaissances nouvelles.
Une méthode de décrochage permettant d’échantillonner séquentiellement deux couches distinctes du biofilm a été mise au point. De même, une technique permettant de mesurer le pH au sein du biofilm par fluorescence en microscopie confocale a aussi été développée. Les essais expérimentaux ont été divisés en deux axes de recherche. Un premier axe où des biofilms formés sur des pâtes cimentaires (CEM I, CEM III, CAC et métakaolin alcali-activé) ont été étudiés dans des cultures reproduisant en laboratoire un environnement de méthanisation. Pour ces essais, les métabolites agressifs et les populations microbiennes, dans le biofilm et le milieu réactionnel, ainsi que la biodétérioration des pâtes cimentaires ont été suivis. Le deuxième axe s’est porté sur l’étude de deux biofilms mono-espèces modèles. Propionibacterium acidipropionici, produisant de l’acide propionique, a été cultivée dans un bioréacteur permettant de séparer l’effet dégradant des métabolites agressifs produits par les microorganismes de celui attribuable à la formation et à l’activité d’un biofilm sur le matériau cimentaire.
Les analyses de biodiversité bactérienne ont mis en évidence une présence accrue de bactéries acidogènes, plus particulièrement du genre Clostridium, dans le biofilm pour la totalité des essais réalisés ainsi qu’une prédominance de bactéries acétogènes et méthanogènes dans le milieu réactionnel pour la majorité des essais réalisés. La présence de métakaolin alcali-activéa eu un effet significatif sur les populations microbiennes en favorisant le développement du genre Clostridium impliqué dans l’hydrolyse et l’acidogénèse. Le mécanisme de biodétérioration des pâtes cimentaires CEM I identifié a été une lixiviation du calcium de la pâte cimentaire pour les essais en milieu de méthanisation comme pour ceux avec un biofilm de P.acidipropionici. Un effet dégradant spécifique lié à la présence de ce biofilm a été observé et a été attribué à une concentration plus importante en acides dans le biofilm et donc au contact du matériau cimentaire.
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Anaerobic digestion is a process based on the transformation, by microorganisms, of fermentable organic matter into two products of interest, biogas and digestate. Biogas is mainly made up of CH4 and CO2 and is used to produce energy. The digestate can be used as a fertiliser for agronomic purposes. Anaerobic digestion, since it is using waste as a substrate to produce renewable energy, can be considered as included in a dynamic of circular economy and energy transition. It is therefore a growing sector. Most of the digesters in which this process is carried out are built, on an industrial scale, in concrete. The products of the metabolism of the microorganisms involved in the anaerobic digestion process, particularly CO2, volatile fatty acids and NH4+ ions, induce a phenomenon of biodeterioration of the cementitious materials. More precisely, the formation of a microbial biofilm on the surface of the concrete is likely to amplify this phenomenon but the mechanisms involved are poorly understood.
This thesis was carried out within the framework of the ANR BIBENDoM project. Its objectives are as follows: (i) to provide a better understanding of the aggravating role of biofilm in the biodeterioration phenomenon of cement matrices, (ii) to evaluate the individual effect of single-species biofilms producing a single type of aggressive metabolites and (iii) to propose technical solutions to limit the degrading action of biofilm on cement materials, by exploiting new knowledge.
A removal method allowing the sequential sampling of two distinct layers of biofilm has been developed. Similarly, a technique for measuring the pH within the biofilm by fluorescence in confocal microscopy has also been developed. The experimental trials were divided into two axis of research. A first axis where biofilms formed on cementitious pastes (CEM I, CEM III, CAC and alkali-activated metakaolin) were studied in cultures reproducing an anaerobic digestion environment in the laboratory. For these tests, aggressive metabolites and microbial populations in the biofilm and the reaction medium, as well as the biodeterioration of the cementitious pastes were monitored. The second axis focused on the study of two mono-species model biofilms. Propionibacterium acidipropionici, producing propionic acid, was grown in a bioreactor to separate the degrading effect of aggressive metabolites produced by the microorganisms from the one attributable to the formation and activity of a biofilm on the cementitious material.
Bacterial biodiversity analyses revealed an increased presence of acidogenic bacteria, more particularly of the Clostridium genus, in the biofilm for all the tests carried out, as well as a predominance of acetogenic and methanogenic bacteria in the reaction medium for the majority of the tests carried out. The presence of alkali-activated metakaolin had a significant effect on the microbial populations by favouring the development of the Clostridium genus involved in hydrolysis and acidogenesis. The mechanism of biodeterioration of the CEM I cement pastes identified was a leaching of calcium from the cement paste in the tests in anaerobic digestion medium as well as in those with a biofilm of P.acidipropionici. A specific degrading effect linked to the presence of this biofilm was observed and was attributed to a higher concentration of acids in the biofilm and therefore to contact with the cementitious material.
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