Ecological engineering and maintenance of methane oxidation in photogranules under selection pressure | Ingénierie écologique et maintien de l’oxydation du méthane dans les photogranules sous pression de sélection

إنجليزي. Granular biofilms, discovered in the 1970s, are a sustainable alternative for wastewater treatment. They consist of microorganisms embedded in a matrix of extracellular polymeric substances (EPS). The granules are mixotrophic biofilms specialized in specific ecological functions, such as anaerobic ammonium oxidizing granules (anammox), aerobic granules, anaerobic granules, and oxygenated photogranules (OPGs). Photogranules are phototrophic-heterotrophic aggregates, mainly including eukaryotic microalgae or cyanobacteria. Oxygenated photogranules (OPGs) are spherical biofilms ranging from 0.2 to 5 mm in diameter, with a syntrophic relationship between phototrophic microorganisms and heterotrophic bacteria. Cyanobacteria use CO2 to grow, producing organic matter and oxygen, while heterotrophic bacteria consume the oxygen and convert the organic matter into CO2. OPGs have a structured organization with an outer layer of phototrophic microorganisms and an inner core of heterotrophic bacteria, creating an oxygen gradient. The sedimentation properties of OPGs are advantageous for process engineering, facilitating solid-liquid separation. Their sedimentation rate increases with their size in shear environments, while an inverse relationship is observed in hydrostatic environments. OPGs cultivated in sequential batch reactors show a sludge volume index after 30 minutes (SVI30) of 53 to 103 ml·g TSS-1 and a zone settling velocity (ZSV) between 3.2 and 4.6 m·h-1, compared to traditional activated sludge. OPGs offer valuable biomass due to their composition rich in phototrophic pigments, usable for nutraceutical and pharmaceutical applications, as well as in EPS, which can produce hydrogels, biosurfactants, bioflocculants, proteins, biofuels, or fertilizers. However, the recovery of these resources requires further study. Aerobic granular technology represents a step towards circular resource use, reducing the footprint of treatment plants by up to 75% and energy consumption by up to 60% compared to conventional activated sludge (CAS) processes. However, mechanical aeration is needed to provide oxygen, a limitation that OPGs can potentially overcome by producing oxygen in situ, thus reducing operational costs. OPGs can also remove nitrogen through surface nitrification and simultaneous denitrification in the internal anoxic layers. This functional diversity makes them promising for wastewater treatment. However, pilot-scale reactors have shown inefficiencies, highlighting the need to understand the granulation mechanisms for successful scaling up. The production of excess sludge remains a challenge, requiring sustainable uses such as fertilizer application, which could also apply to OPG biomass. Land application requires treatments to reduce contaminants. Anaerobic digestion is another emerging option for treating excess activated sludge, producing biogas, but data on the digestibility of OPG biomass is limited. OPGs also show potential for heavy metal bioremediation in wastewater thanks to EPS capable of absorbing these metals. However, the adsorption capacity of OPGs has not been studied in depth. Microbial engineering of OPGs could improve their properties. This thesis aims to demonstrate this possibility and test the robustness of engineered microbial communities, providing a better understanding of the processes and decisions made.

فرنسي. Les biofilms granulaires, découverts dans les années 1970, sont une alternative durable pour le traitement des eaux usées. Ils sont constitués de micro-organismes intégrés dans une matrice de substances polymériques extracellulaires (EPS). Les granules sont des biofilms mixotrophes spécialisés dans des fonctions écologiques spécifiques comme les granules anaérobiques oxydants de l’ammonium (anammox), les granules aérobies, les granules anaérobiques et les photogranules oxygénés (OPGs). Les photogranules sont des agrégats phototrophes-hétérotrophes, incluant principalement des microalgues eucaryotes ou des cyanobactéries. Les photogranules oxygénés (OPGs) sont des biofilms sphériques de 0,2 à 5 mm de diamètre, avec une relation syntrophique entre micro-organismes phototrophes et bactéries hétérotrophes. Les cyanobactéries utilisent le CO2 pour croître, produisant de la matière organique et de l'oxygène, tandis que les bactéries hétérotrophes consomment l'oxygène et convertissent la matière organique en CO2. Les OPGs possèdent une organisation structurée avec une couche externe de micro-organismes phototrophes et un noyau interne de bactéries hétérotrophes, créant un gradient d'oxygène. Les propriétés de sédimentation des OPGs sont avantageuses pour le génie des procédés, facilitant la séparation solide-liquide. Leur vitesse de sédimentation augmente avec leur taille dans des environnements de cisaillement, tandis qu'une relation inverse est observée en milieu hydrostatique. Les OPGs cultivés dans des réacteurs batch séquentiels montrent un indice de volume de boues après 30 minutes (SVI30) de 53 à 103 ml·g TSS-1 et une vitesse de sédimentation zonale (ZSV) entre 3,2 et 4,6 m·h-1, comparativement à la boue activée traditionnelle. Les OPGs offrent une biomasse précieuse en raison de leur composition riche en pigments phototrophes utilisables pour des applications nutraceutiques et pharmaceutiques, ainsi qu'en EPS, pouvant produire des hydrogels, biosurfactants, biofloculants, protéines, biocarburants ou engrais. Cependant, la récupération de ces ressources nécessite une étude approfondie. La technologie des granules aérobies représente une avancée vers une utilisation circulaire des ressources, réduisant l'empreinte des stations d'épuration jusqu'à 75% et la consommation d'énergie jusqu'à 60% par rapport aux processus de boues activées conventionnelles (CAS). Toutefois, l'aération mécanique est nécessaire pour fournir de l'oxygène, une limitation que les OPGs peuvent potentiellement surmonter en produisant de l'oxygène in situ, réduisant ainsi les dépenses opérationnelles. Les OPGs peuvent également éliminer l'azote par nitrification en surface et dénitrification simultanée dans les couches anoxiques internes. Cette diversité fonctionnelle les rend prometteurs pour le traitement des eaux usées. Cependant, les réacteurs à l'échelle pilote ont montré des inefficacités, soulignant la nécessité de comprendre les mécanismes de granulation pour un passage à l'échelle réussi. La production de boues excédentaires demeure un défi, nécessitant des utilisations durables comme l'utilisation comme engrais, ce qui pourrait également s'appliquer à la biomasse OPG. L'application terrestre nécessite des traitements pour réduire les contaminants. La digestion anaérobie est une autre option émergente pour traiter les boues activées excédentaires, produisant du biogaz, mais les données sur la digestibilité de la biomasse OPG sont limitées. Les OPGs montrent également un potentiel pour la bioremédiation des métaux lourds dans les eaux usées grâce aux EPS capables d'absorber ces métaux. Cependant, la capacité d'adsorption des OPGs n'a pas été étudiée en profondeur. L'ingénierie microbienne des OPGs pourrait améliorer leurs propriétés. Ce travail de thèse vise à démontrer cette possibilité et à tester la robustesse des communautés microbiennes ingénierées, en fournissant une meilleure compréhension des processus et des décisions prises.