Procédés biotechnologiques au service de l'environnement

Effective (organic) waste management and renewable energy supply are essential in our present society, such as meeting targets of the European Green Deal and the Renewable Energy Directive. Anaerobic digestion can tackle both challenges simultaneously, and has been commonly applied for renewable energy recovery in the form of biogas from organic waste. The complex and sensitive microbial interactions to environmental stressors can cause the failure of anaerobic digestion, imposing challenges for innovation. In LeAD, we introduce the microbial niche nexus concept (tuning microbial communities and their metabolic pathways to achieve multidimensional microbial networks) to achieve more resistant/resilient anaerobic digestion systems, thus improving resource recovery from waste sources under stressed conditions. Hence, LeAD aims to train the next generation environmental biotechnologists in order to address key knowledge gaps and develop models and technologies in anaerobic digestion responding to stressed environmental conditions, which will revolutionize resource recovery from waste towards circular bioeconomy and sustainable development. The 14 tailored projects are tailored based on the design-build-test-learn cycle to train the doctoral candidates with systems knowledge to deal with challenges for transiting waste removal towards resource recovery through anaerobic digestion. To train the 14 doctoral candidates via an international, intersectoral, and interdisciplinary program, LeAD brings together experts from several disciplines, forming a consortium of eight beneficiaries and five associated partners (including three industries). Through both local and network-wide activities and events, LeAD will educate next-generation talents with competitive transversal skills and capacities both to the academic and non-academic sectors, further profoundly influencing the future bio-economy and society.

Dans un contexte de transition énergétique, l'Union européenne a fixé l’objectif de produire 35 milliards de m3 de biométhane par an à l’horizon 2030. Atteindre cette cible ambitieuse nécessitera non seulement l'installation de nouvelles usines de méthanisation, mais également une optimisation majeure de la performance et de la stabilité de celles existantes. La méthanisation est catalysée par des consortiums microbiens complexes. L'une des voies prometteuses pour améliorer les performances du procédé consiste donc à développer une conduite opératoire basée sur les communautés microbiennes. Il s’agit cependant d’un verrou scientifique fort. Grâce à l’essor des technologies de caractérisation des consortiums microbiens, telles que le séquençage à haut-débit, de nombreuses recherches sont actuellement menées pour progresser sur ce front. Cependant, l'écologie virale de la méthanisation a longtemps été négligée et a émergé seulement récemment comme un sujet important pour l'amélioration des performances des méthaniseurs : les dynamiques hôtes-virus pourraient influencer les performances du procédé par différents mécanismes, et notamment par leur effet sur les flux élémentaires. Il est donc important d’identifier les paramètres opérationnels qui pourraient jouer sur les dynamiques hôtes-virus, offrant la possibilité d’agir assez directement sur cette composante. Une autre question encore peu explorée est de déterminer le rôle possible des virus dans des dysfonctionnements opérationnels encore non-expliqués. Pour le projet interdisciplinaire VIRALSONG, nous émettons l'hypothèse que divers facteurs abiotiques influencent directement les dynamiques hôtes-virus dans les méthaniseurs, affectant le procédé, et nous étudierons spécifiquement l’effet de la teneur en eau et de la force ionique. Ces deux paramètres doivent affecter respectivement la diffusion et l'adsorption des virus, et sont de plus pertinents d’un point de vue industriel. Nous travaillerons à différentes échelles complémentaires : microcosme, pilote et semi-industrielle. En laboratoire, en microcosmes ou pilotes, l’effet de la teneur en eau et de la force ionique sur les dynamiques hôtes-virus sera évalué finement par l’application de conditions bien contrôlées et répliquées. A l’échelle semi-industrielle, nous réaliserons le suivi longitudinal d’un micro-méthaniseur traitant des biodéchets, localisé sur le site d’un des partenaires du projet. A cette échelle, les conditions seront moins manipulables qu’en laboratoire, mais offriront un cadre plus réaliste. Elles présenteront une certaine variabilité, liée à l’optimisation en cours de la conduite de ce méthaniseur : ceci permettra d’identifier plus largement les paramètres opératoires influençant les dynamiques hôtes-virus au sein des méthaniseurs. En parallèle, nous isolerons et caractériserons des virus d’archées méthanogènes, composants clé peu étudiés des communautés microbiennes de méthanisation. Lors du projet, les connaissances biologiques générées sur ces virus d’archées méthanogènes nourriront directement les interprétations réalisées dans le contexte plus complexe de procédé. Pour VIRALSONG, nous mettrons en œuvre des techniques de pointe en écologie microbienne moléculaire, notamment du séquençage à haut-débit. VIRALSONG sera organisé en 5 work packages interconnectés. Il sera mené par un consortium de 3 partenaires français financés (INRAE PROSE, INRAE LBE, Institut Pasteur ARVIR) et un partenaire italien non-financé (Université de Padova). Ce consortium rassemble des spécialistes reconnus en virologie, écologie microbienne, métagénomique et ingénierie des procédés de méthanisation. Une grande attention sera apportée à l’intégration scientifique tout au long du projet. Les résultats de VIRALSONG génèreront des bases scientifiques importantes pour faciliter, dans le futur, l'intégration de l'écologie virale dans les stratégies opératoires, afin d’optimiser davantage les procédés de méthanisation.

Les eaux usées sont de plus en plus considérées comme une source potentielle d'énergie et de composés précieux plutôt que comme un simple déchet. Dans les cellules d'électrolyse microbienne (CEM), les réactions d'oxydation catalysées par des microbes, impliquant généralement des composés organiques, soutiennent électriquement la production d'hydrogène gazeux (H2). Toutefois, les CEM se heurtent à des limites dans les applications à grande échelle en raison des caractéristiques des eaux usées domestiques - faible concentration de composés organiques, pH neutre et faible salinité - qui se traduisent par une capacité de production d'énergie limitée. Dans ce projet, nous visons à permettre la récupération de bio-ressources à partir de flux chargés de sulfure, caractérisés en outre par une salinité et une alcalinité accrues. Pour atteindre cet objectif, nous étudierons deux aspects distincts des bioanodes oxydant les sulfures : le biofilm et le matériau de l'anode. Le projet MESHY étudiera le rôle des consortiums microbiens haloalkaliphiles et des catalyseurs métal-sulfure dans l'oxydation bioanodique des sulfures dans les BES. Le projet vise à optimiser la récupération des bioressources en comprenant l'interaction entre les processus biotiques et abiotiques. En outre, il vise à évaluer la capacité du traitement bioanodique des eaux usées sulfurées à soutenir la production de H2 à long terme. Dans notre monde en pleine mutation, la bioéconomie joue un rôle essentiel dans les transitions technologiques, économiques et sociales. Les systèmes bioélectrochimiques offrent un potentiel important pour la transformation et la récupération des ressources. Le projet MESHY illustre la gestion durable de sources de déchets difficiles et enrichit la boîte à outils des consortiums microbiens extrémophiles. En outre, il explore des voies alternatives pour améliorer les processus bioélectrochimiques et contribuer au secteur de la bioénergie.

Industrial Biotechnology (IB) is a Key Enabling Technology for the circular bio-economy, industrial renewal and European manufacturing autonomy. Its development forms a vital part of EU’s strategy to become climate neutral in 2050. For IB to become a major manufacturing technology, it must widen its use of advanced digital technologies. These will improve R&D efficiency, reducing time-to-market and costs. Moreover, for manufacturing, advanced digital technologies will drive distributed, autonomous and highly adaptable production systems. To support digitalization of IB, BIOINDUSTRY 4.0 will create new services delivered by European research infrastructures (RI). These services will address several challenges, focusing on the acceleration of bio-process development pipelines. Drawing on the complementary skills of its consortium, BIOINDUSTRY 4.0 will develop data-driven approaches, exploiting AI to empower novel decision support systems and digital twins, the latter being to better design bio-processes and enable their real-time online control. To complete these services, BIOINDUSTRY 4.0 will also develop data and metadata standards to generate high quality, interoperable multi-scale bio-process data, the technical basis for trusted data networks and process analytical devices to provide real-time online monitoring of bio-processes. Once deployed, these RI services will provide Users with access to cutting-edge technologies that can be used singly or in an integrated way, covering whole R&D pipelines. Integrated services will be delivered by a distributed RI, conferring Europe with a unique R&D test-bed for bio-process development and a competitive advantage with respect to global competition. To succeed, BIOINDUSTRY 4.0 brings together 6 EU RIs, 1 global company, 2 innovative EU SMEs and several research teams around an ambitious 4-year workplan that will be implemented in consultation with IB stakeholders, using a co-design strategy to specify goals.

Ethics and integrity are key dimensions of excellence in research and crucial for public trust in science. BEYOND will reinforce efforts to promote adherence to the highest standards of research ethics and integrity (RE/RI) and prevent research misconduct (RM) by developing and disseminating regulatory and educational interventions that elucidate institutional and individual responsibilities for ensuring and fostering research environments conducive to ethical research. To that end, BEYOND will adopt a complex ecosystemic perspective on research ethics and integrity that recognizes the multiple responsibilities of researchers and other stakeholders to enrich the overly simplistic Bad Apples approach that underpins most existing measures to prevent research misconduct. BEYOND will EXPLORE the existing literature on behavioural ethics and moral psychology as well as the socio-economic consequences of research misconduct and ENGAGE all involved stakeholders in a public consultation. To GUIDE and EQUIP all stakeholders in the research ecosystem, BEYOND will utilize this knowledge to develop 1) psychologically informed contextual interventions to promote RE/RI and prevent RM from the perspective of individual and institutional responsibilities, 2) methodologies to measure the short-, medium- and long-term impact of RE/RI trainings on attitudes and behaviours of students and researchers, 3) a best practice manual and guidelines to supplement standard operating procedures from a complex research ecosystemic perspective as well as a 2030 roadmap towards improving the RE/RI culture and 4) new training materials and tools to supplement existing educational efforts. BEYOND will mobilize all stakeholders via the three thematic networks involved in the consortium (ENRIO, EUREC, The Guild) and the stakeholder advisory board to ensure widespread dissemination of results and facilitate their institutional uptake and embedding.

La digestion anaérobie (DA) est un processus de dégradation de la matière organique effectué par un réseau complexe de micro-organismes qui produit du biogaz riche en méthane, qui peut être converti en énergie. La performance de ce procédé dépend de la structure de la communauté microbienne et des interactions entre les espèces, qui elles-mêmes évoluent en fonction des conditions opératoires des digesteurs. Actuellement, le contrôle de la stabilité du procédé de DA repose sur le suivi d'indicateurs physicochimiques. Cependant, ceux-ci ne permettent pas une identification précise de l'origine des perturbations, car ils ne peuvent pas décrire en détail la dynamique biologique des digesteurs. Cela représente une réelle difficulté pour les opérateurs car les digesteurs peuvent dysfonctionner pour de nombreuses raisons. La communauté microbienne dans les digesteurs étant très sensible aux altérations des conditions opérationnelles, notre hypothèse de recherche est que la surveillance de la communauté microbienne peut être utilisée comme une méthode plus efficace que les indicateurs physico-chimiques classiques pour évaluer le fonctionnement des digesteurs. L’utilisation de techniques à haut débit comme le métabarcoding 16S ou la métabolomique pourrait être un outil très puissant pour réaliser cette surveillance. Cependant, jusqu'à récemment, l'utilisation de ces techniques était limitée à certaines études de laboratoire, car elles étaient coûteuses, chronophages et car les résultats n'étaient pas faciles à utiliser à des fins opérationnelles. Les évolutions méthodologiques permettent désormais des approches plus abordables et plus rapides, capables de saisir les évolutions microbiennes et moléculaires des digesteurs anaérobies dans l’objectif de développer des outils de diagnostic rapide. Le projet Methadiag s’inscrit dans ce cadre et comprendra trois objectifs principaux: (i) Dans un premier temps, nous élaborerons des protocoles analytiques spécifiques qui permettraient de mettre en oeuvre les techniques à haut débit précédemment citées directement sur des échantillons issus d’exploitations industrielles (tâche 1a) (ii) Dans un second temps, nous évaluerons dans quelle mesure les digesteurs anaérobies sont comparables au niveau microbien et moléculaire et des outils de diagnostic communs peuvent être établis (tâche 1b) (iii) Enfin, à l’aide d’une combinaison des données obtenues à partir de digesteurs industriels et d’expériences complémentaires en laboratoire, nous identifierons un ensemble de biomarqueurs microbiens et moléculaires pour surveiller le fonctionnement des digesteurs grâce aux outils de diagnostic rapide développés (tâche 2). Des résultats sont attendus à la fois sur le plan académique et opérationnel. Sur le plan académique, les principales innovations seront 1) le développement de méthodes analytiques pour permettre la manipulation sur site pour réaliser du métabarcoding 16S et des analyses métabolomiques, 2) l'amélioration de la compréhension générale du fonctionnement des digesteurs anaérobies à l’échelle industrielle, et 3) la conception de pipelines d'analyse statistique de données haut-débit pour la découverte de bioindicateurs qui pourraient être utilisés à des fins de diagnostic prédictif. D'un point de vue opérationnel, les apports attendus du projet sont 1) une liste de bioindicateurs précoces de dysfonctionnement qui pourront être utilisés pour évaluer la stabilité des digesteurs anaérobies, et 2) une interface utilisateur graphique conviviale pour visualiser et interpréter le bon fonctionnement des digesteurs anaérobies. D’une manière générale l’originalité du projet réside dans la conception et la mise en place d'outils transférables pour un diagnostic rapide du bon fonctionnement des digesteurs anaérobies. Les résultats permettront une meilleure surveillance des digesteurs anaérobies dans l’objectif d'accroitre l'efficacité du procédé de la DA et d’obtenir un niveau de durabilité plus élevé.

Les eaux usées représentent des gisements massifs d’eau constituant une source potentiellement rentable, indépendante des sécheresses saisonnières. Cependant à l’heure actuelle les stations d’épuration ne permettent pas d’atteindre à des coûts raisonnables une qualité d’eau suffisante pour sa réutilisation et obèrent le retour à un bon état écologique et chimique du milieu aquatique. Ainsi, pour satisfaire à la Directive Cadre Européenne sur l’Eau et pour pallier les pénuries d’eau futures, le développement de stratégies efficientes permettant d’éliminer de façon plus poussée les micropolluants et d’améliorer la qualité microbiologique de l’eau est nécessaire. Dans ce contexte REMemBer est un projet de recherche appliqué qui vise à développer une technologie de traitement durable des eaux usées permettant : (i) de proposer une solution compacte combinant traitements secondaire et tertiaire au sein d’un même réacteur, (ii) d’améliorer la qualité chimique et microbiologique de l’eau épurée, (iii) d’envisager son recyclage, (iv) de réaliser des économies d’énergie et de produits chimiques. Le projet est basé sur la combinaison des avantages des bioréacteurs à membrane (BàM) et des procédés électrochimiques dans une seule unité innovante. La nouveauté du projet REMemBer repose sur l'utilisation de membranes électrochimiques réactives (MER). Des membranes électro-actives ont été récemment mises au point et testées par un des partenaires et ont permis de s’affranchir en partie des limitations liées aux phénomènes de diffusion. Sur la base de ces résultats prometteurs, les défis scientifiques qui seront relevés dans ce projet visent à franchir une nouvelle étape en mettant en œuvre les MER dans un procédé dans lequel la séparation de la biomasse et le traitement tertiaire seraient réalisés dans un seul réacteur: un Bioréacteur à Membranes Electrochimiquement Réactives (BàM-ER). Les objectifs visés sont: (i) de favoriser l'électro-oxydation des micropolluants organiques grâce à un transport de masse des polluants amélioré par convection, (ii) d’améliorer la désinfection par l’électro-oxydation et les conditions de pH locales et, (iii) de contrôler le colmatage des membranes. Les principaux verrous scientifiques et technologiques à lever avant l’implantation d’un BàM-ER à l’échelle industrielle résident dans (i) le développement de membranes cathodiques ou anodiques d’UF à partir des membranes de microfiltration électro-actives commercialement disponibles, (ii) la compréhension des mécanismes chimiques, physiques et biologiques au niveau de l’interface électrode-liquide, et (iii) le design et la validation d’une cellule électrochimique permettant une conduite optimale des BàM-ER et le changement d’échelle pour une application industrielle. Le projet REMemBer a pour objectif de lever ces verrous en développant une approche multi-échelle couplant analyses expérimentales transdisciplinaires et modélisation. Pour atteindre ces objectifs, le programme scientifique du projet est divisé en cinq tâches scientifiques et technologiques principales: élaboration, caractérisation et optimisation des membranes électro-actives (WP1); compréhension des mécanismes à l’interface électrode-liquide (WP2); développement du procédé et optimisation à l’échelle pilote de laboratoire (WP3); modélisation transversale et multi-échelles (WP4); développement d'un démonstrateur à l’échelle semi-industriel installé sur site pour des analyses et évaluations techniques, économiques et environnementales (WP5). Le projet rassemble deux laboratoires universitaires, (le LGE (Université Gustave Eiffel) et l’IEM (Université de Montpellier)), un institut de recherche appliquée (INRAE-PROSE), l’entreprise industrielle publique Syndicat interdépartemental pour l'assainissement de l'agglomération parisienne (SIAAP) et une TPE spécialisée dans le développement de procédés innovants et le transfert de technologie (FIRMUS).

La digestion anaérobie (DA) est un processus microbiologique de dégradation de la matière organique qui produit un biogaz riche en méthane qui peut être converti en énergie électrique et thermique. Il est couramment utilisé pour traiter différents types de déchets organiques à l'échelle industrielle à l'aide de digesteurs anaérobies. Cependant, ce bioprocédé n'est pas totalement maîtrisé et présente encore un potentiel d'amélioration important. L'une des principales limites de la DA est la grande vulnérabilité des communautés microbiennes aux modifications des conditions de fonctionnement des digesteurs. Cela peut avoir pour conséquence une production de méthane instable. Contrôler la stabilité de la communauté microbienne de la DA n'est pas une tâche triviale. Les connaissances sur les déterminants de la stabilité des processus microbiens anaérobies (c'est-à-dire les conditions et la succession d'événements microbiens permettant de maintenir l'équilibre après une perturbation ou, au contraire, générant un effet domino conduisant à une défaillance du procédé) sont toujours très incomplètes. Les nouvelles approches à haut débit ‘omiques’ permettent désormais de générer des données d’une richesse sans précédent pour décrire le microbiome de la DA. La métagénomique, la métatranscriptomique, la métaprotéomique et la métabolomique permettent de décrire une communauté microbienne à différents niveaux (gènes, expression génique et production de métabolites). Des méthodes appropriées sont nécessaires pour analyser ces données de taille très importante afin de mieux comprendre les réseaux des processus fonctionnels de la DA. De nouvelles méthodes statistiques sont peu à peu développées pour exploiter et intégrer pleinement ces ensembles de données complexes. Dans ce contexte, l'objectif de STABILICS est de réaliser la première série d'expériences longitudinales multi-omiques, avec une profondeur d'échantillonnage sans précédent, dans des digesteurs anaérobies soumis à des paramètres environnementaux constants ou à différentes perturbations modèles créées par l'ajout de NaCl. Des expériences en réacteurs semi-continus de laboratoire seront mises en place et suivi sur le long terme (plus d'un an). Deux niveaux d'analyse seront appliqués. 1) Une analyse à fréquence élevée de différents descripteurs de l'activité du microbiome, à l’aide d’analyses métabolomiques non ciblées afin de caractériser les voies de dégradation et à l’aide de métabarcoding de l'ARN et de l'ADN pour cibler les microorganismes actifs et présents. 2) Une analyse en profondeur du fonctionnement du microbiome avec à la fois des approches métagénomique et métatranscriptomique sur des échantillons et des conditions sélectionnés. Ces ensembles de données sans précédent seront analysés de manière approfondie et intégrés à l’aide de méthodes statistiques de pointe. Par exemple, des méthodes multivariées de réduction de dimension seront utilisées pour intégrer les données omiques et sélectionner des variables d’intérêt. Une méthode analytique spécifique sera élaborée pour traiter les données longitudinales. Les objectifs de ce projet interdisciplinaire seront 1) d’évaluer à différents niveaux omiques la dynamique du microbiome de la DA dans des expériences répétées et sur le long terme, 2) de décrire la succession d’événements qui, en cas de perturbation, conduit à un déséquilibre du microbiome et du digesteur 3) de proposer un cadre analytique original pour des études longitudinales multi-omiques tenant compte de la temporalité et 4) de fournir des connaissances génériques permettant de mieux comprendre les déterminants de la stabilité de la DA.

L'objectif du projet est de concevoir une technologie électrochimique microbienne passive applicable aux zones humides artificielles ou à d'autres écosystèmes similaires pour l'élimination de l'azote (NO3-). Le système repose sur la récupération de l’énergie diffuse présente dans les sédiments pour induire une dénitrification efficace et à faible coût. Une idée clé est d'induire des zones anoxiques locales pour promouvoir la dénitrification sans affecter l'écosystème. La diminution de la concentration en nitrates des eaux de surface, en particulier les eaux de ruissellement et les eaux drainées provenant de l'agriculture intensive, revêt une importance primordiale. À cet effet, la mise en œuvre de zones tampons comme des écosystèmes de rétention d'azote doit être optimisée pour les processus de dénitrification à l'échelle du bassin versant afin de réduire l'occupation du sol et en même temps augmenter l'élimination des nitrates. IRSTEA développe un programme de restauration d'une zone humide artificielle construite en 2010 à Rampillon (Seine et Marne) afin de démontrer le potentiel des zones humides pour réduire l'impact environnemental de l'agriculture et assurer des ressources en eau plus pure/sûre. L'apport d'eau de ruissellement dans les zones humides artificielles contient du nitrate à une concentration qui peut être supérieure à 50 mg/L (le seuil réglementaire dans l'eau potable est de 50 mg/L, un seuil inférieur de 25 mg/L est recommandé dans les eaux de surface). Une diminution de la concentration en NO3- a été observée de l'entrée à la sortie de la zone humide, mais un traitement amélioré doit être proposé. Le système que nous proposons est une électrode 3D peu coûteuse permettant une dénitrification microbienne plus active à l'interface sédiment-eau. L'oxydation microbienne des matières organiques à partir des sédiments produit un courant qui est transféré dans les zones supérieures où se produisent les réductions de O2 et de NO3- biocatalysées. Ce système repose sur le principe d'une pile à combustible microbienne, mais contrairement à cette dernière application, l'énergie prélevée dans les sédiments ne sera pas récupérée mais directement utilisée pour l'assainissement. Dans cette configuration, le système électrochimique microbien devient passif et totalement intégré dans la zone humide artificielle avec un minimum d'entretien. Aucune installation électrique supplémentaire n'est nécessaire car aucune énergie électrique n'est extraite ou fournie au système. La réduction des nitrates se produit à l'interface eau/sédiment et est inhibée en présence d'oxygène. Nous émettons l'hypothèse que la dénitrification sera accélérée par une conception et une mise en œuvre appropriées des électrodes dans la zone humide. Les recherches fondamentales dans LowNitrate seront consacrées à la conception d'électrodes 3D induisant une zone locale anoxique. Cette propriété sera utilisée pour la croissance sélective du biofilm dans un environnement naturel permettant la réduction de NO3-. Le système électrochimique microbien optimal sera évalué dans la zone humide artificielle gérée par IRSTEA à Rampillon. L'objectif quantitatif est de doubler le taux de dénitrification qui est typiquement inférieur à 350 mg de N-NO3-/m2/jour. Nous avons l'ambition de faire une étude détaillée de l'écologie associée aux réactions de dénitrification dans la zone humide de Rampillon. Un indicateur microbien de la technologie sera développé. Un modèle quantitatif de la dénitrification dans les conditions d'écoulement de la zone humide sera élaboré. Le produit final développé dans le projet est une électrode 3D efficace à faible coût qui induira une dénitrification plus rapide dans une zone humide artificielle.

Les déchets organiques solides sont une ressource prometteuse pour la production de biocarburants et synthons par des bioprocédés anaérobies. Cependant, leur matrice complexe, hétérogène et variable dans le temps rend leur valorisation complexe : la bioraffinerie des déchets est en phase de recherche exploratoire. Pour orienter les voies de fermentation et établir des procédés stables, de nouveaux leviers opérationnels sont nécessaires. Aussi, les virus de microorganismes pourraient servir de base au développement d’outils de biocontrôle ciblant spécifiquement certains groupes fonctionnels microbiens. Dans d’autres domaines (médical, agro-alimentaire, épuration des eaux usées), des virus sont en effet déjà utilisés ou considérés dans une optique de biocontrôle. Concernant la bioraffinerie des déchets, les archées méthanogènes nuisent à la production de molécules à plus haute valeur ajoutée que le méthane mais leurs virus sont encore peu connus, si bien que le développement de telles stratégies de biocontrôle n’est aujourd’hui pas possible. Le projet VIRAME vise donc à caractériser in situ le contenu génomique de virus d’archées méthanogènes dans les bioprocédés anaérobies de valorisation des déchets organiques. Etablir le lien entre un virus et l’identité de son hôte au sein d’écosystèmes complexes est un défi puisqu’ils ne partagent pas toujours de gènes. Pour lever ce verrou, le lien entre voies de méthanogénèse actives, archées les catalysant et contenu génomique des virus infectant ces archées sera établi grâce à une approche intégrée originale couplant des techniques de pointe en écologie moléculaire (méta-omiques, isotopie, en particulier « Stable isotope probing » SIP) et des analyses in silico classiques (génomique comparative) et spécifiques (analyse de CRISPR spacers, de provirus, composition en kmers). Le contenu génomique de virus d’archées méthanogènes sera étudié au sein de microcosmes répliqués et des métaviromes de méthaniseurs de déchets seront également comparés à ceux des microcosmes. La diversité des familles virales et les gènes dont les fonctions sont liées au cycle de vie des virus et à l’écophysiologie des archées méthanogènes seront notamment examinés. Sur le plan expérimental, des conditions spécifiques et l’utilisation de divers substrats carbonés, marqués ou non au 13C, permettront d’activer sélectivement différentes voies de méthanogenèse puis d’identifier virus et cellules ayant incorporé du 13C. Des inocula issus de méthaniseurs industriels seront employés. L’équipe d’origine du coordinateur a déjà accumulé et publié des données mettant en évidence l’incorporation de substrats marqués au 13C par les archées méthanogènes, dans des microcosmes inoculés avec de telles biomasses et similaires à ceux qui seront établis pour ce projet. L’approche intégrée originale, incluant le SIP appliqué aux acides nucléiques viraux, contribue à lever un verrou important en écologie microbienne, établir le lien entre un virus et son hôte. Les connaissances générées sur la diversité génomique des virus d’archées méthanogènes participeront de plus à une meilleure compréhension de l’histoire évolutive des virus et leurs hôtes. Les résultats seront d’intérêt général pour l’amélioration des bioprocédés de méthanisation, en plein essor : les virus des méthanogènes ont certainement un effet important sur les flux de matières et sur la dynamique des méthanogènes, un groupe fonctionnel clé. Concernant les applications de bioraffinerie, le projet VIRAME vise à proposer des stratégies innovantes de biocontrôle des archées méthanogènes par les virus, en s’inspirant des domaines les plus avancés (médecine) et en imaginant, grâce aux résultats du projet, une transposition au domaine des bioprocédés. Le méthane étant un gaz à effet de serre puissant, le biocontrôle des méthanogènes offre de larges perspectives d’application (ex : mitigation des émissions de méthane par les ruminants) et peut avoir un fort impact environnemental.

Dans les zones urbaines, la part de l’énergie électrique consommée pour l’approvisionnement en eau et l’assainissement peut atteindre jusqu’à 18%. Au sein des stations d’épuration, l’aération des bassins biologiques pour le traitement de la matière organique et azotée demeure le principal poste de consommation énergétique (jusqu’à 75% de la dépense électrique générale de la station). Aussi, le développement d’alternatives aux procédés conventionnels est essentiel afin de réduire l’impact environnemental de ces unités de traitement. Dans cet objectif, les procédés électro-microbiens représentent une technologie d’avenir pour le traitement et la valorisation des déchets, basée sur la catalyse de réactions électrochimiques par des biofilms microbiens à la surface d’électrodes. Parmi ces technologies, le tuba électro-microbien (BIOTUBA) se distingue des autres par une mise en œuvre plus simple qui permet d’envisager à court-terme son implantation dans les filières existantes. Il consiste à mettre une bio-anode et une (bio-)cathode en court-circuit en disposant un matériau conducteur le long d’un gradient d’oxydo-réduction. Les performances de dégradation de la matière organique s’avèrent améliorées et des économies d’énergie substantielles peuvent être envisagées du fait de la diminution des besoins en aération. De plus, l’implantation de cette technologie pourrait répondre à d’autres enjeux du traitement des eaux (contrôle de procédés, réduction de la production de boues et traitement des micropolluants). Un certain nombre de verrous scientifiques et techniques restent à lever avant d’envisager l’implantation de telles technologies à l’échelle industrielle. Le coût des électrodes, due aux matériaux utilisés pour leur conception, est notamment un frein au changement d’échelle. De plus, des recherches doivent être menées afin de permettre la compréhension et d’envisager l’optimisation des tuba électro-microbiens en précisant à la fois les processus électrochimiques et microbiens régissant les performances de cette technologie. Le projet BIOTUBA a pour objectif de lever les verrous scientifiques et techniques liés à l’implantation de la technologie de tuba électro-microbien à l’échelle industrielle par le biais d’une approche transdisciplinaire et multi-échelle. Le programme scientifique du projet est divisé en trois tâches principales : (i) Réalisation d’études à l’échelle laboratoire pour comprendre et optimiser le fonctionnement du BIOTUBA en se focalisant sur l’utilisation de matériaux recyclés à faible coûts et de l’application à des matrices réelles (WP1) ; (ii) Développement et l’utilisation des outils de modélisation pour le dimensionnement des électrodes le constituant et de leurs implantations dans les réacteurs industriels (WP2) ; (iii) Caractérisation de l’ensemble des impacts énergétiques et environnementaux liés à l’implantation de cette technologie par le couplage d’une analyse de cycle de vie et d’expérimentations à l’échelle semi-industrielle (WP3). Le développement du BIOTUBA sera basé sur la connaissance précise des mécanismes électrochimiques et biologiques mis-en-jeu afin d’optimiser son fonctionnement et le maintien de ses performances au cours du temps. La mise en œuvre à l’échelle semi-industrielle permettra de caractériser son comportement et les impacts induits à une échelle représentative et ainsi de valider les choix technologiques. La valorisation économique sera supportée par 6TMIC, partenaire du projet. Le projet rassemble un institut de recherche appliquée (Irstea-HBAN), un laboratoire universitaire (LGC), l’entreprise industrielle publique de gestion et traitement des eaux résiduaires urbaines de l’agglomération parisienne (SIAAP) et une PME spécialisée dans le développement de procédés innovants et le transfert de technologie (6TMIC).

The overall goal of AQUACLEW is to use innovative research techniques and integrated co-development with users to advance the quality, and usability of climate services that provide climate change information to water related sectors. Data and information in present climate services reflect high uncertainties and low resolution, which is difficult to use in practical climate adaptation work. AQUACLEW will therefore work to improve confidence and site specific information by better tailoring climate data and adaptation knowledge. In AQUACLEW, we not only co-develop the climate service with users, we also co-develop the research requirements, the service interfaces and the guidance tools. By integrating users and researchers throughout the climate service production chain, the quality, usability and user uptake of climate services for water will be improved. Data providers and researchers will more fully understand user needs and users will be updated on the latest scientific knowledge; better understand potentials or limitations of the data, and can influence (choose between) assumptions made in each step when producing the service output. In AQUACLEW we aim to produce research that will be transferable to improve climate services everywhere. During the project we will develop regional, national and pan-European climate services together with some 30 users to be evaluated in 7 real-world climate adaptation case studies across Europe. These cover a diverse array of water affected sectors, i.e. (i) flash flood risks in pre-alpine regions, (ii) flash flood risks in urban areas (iii) drought and water resource allocation for industry, tourism, agriculture and energy, (iv) hydropower production, (v) biodiversity decline, (vi) agricultural production and (vii) sediment transport and coastal erosion. Project results will be quantified by comparing climate service usability and economic cost of adaptation studies for these case studies before and after the project.