La dégradation de l’urée et de l’urine

Dans la boucle MELiSSA, l’urine et les fèces sont injectés au niveau du compartiment 1 : l’urée est dégradée en ammonium. Cependant, il est possible d’imaginer une autre voie de traitement pour l’urine. En effet, pour limiter le volume de l’influent apporté en C1, l’urine peut être collectée pour être directement traitée dans le C3 qui assure déjà la nitrification. Dans sa configuration actuelle, le C3 n’est pas capable de dégrader l’urine compte tenu de sa composition bactérienne.

I.6.1 Composition de l’urine

L’urine est une solution complexe regroupant différents composants. Sa composition varie d’un individu à l’autre tout comme son pH. La composition moyenne de l’urine humaine est récapitulée dans le Tableau I-15:

Tableau I-14 : Composition de l’urine de l’homme.

(Chang et al., 2013) (Ciba-Geigy, 1977) (Putnam, 1971) Total de solutés (g/L) - 36.7-46.7

N-NH4⁺ (g/L) 2.5-8.1 -

71 Urée (g/L) 5-9 - 9.3-23.3 COD (g/L) 8-10 - 8 Cl- (g/L) - 4.97 18-8.4 Na+ (g/L) - 3.45 1-4 K+ (g/L) - 2.74 0.7-2.6 Créatinine (g/L) - - 0.7-2.2 S (g/L) - 1.32 0.2-1.8 P (g/L) 0.7-2 0.8-2 0.5-1.1 B (µg/L) 500-3300 970 - Fe (µg/L) 34-540 - - Cu (µg/L) 42-50 - - Zn (µg/L) 270-850 - - Mn (µg/L) 0.12-20 19 - Mo (µg/L) 24-130 - -

Même si la variabilité de la composition de l’urine rend compliquée la mise au point d’un procédé de traitement, Brooks and Keevil, (1997) ont développé un milieu d’urine synthétique utilisé pour la culture de bactéries urinaires pathogènes (Tableau I-15) :

Tableau I-15: Composition de l'urine synthétique (Brooks and Keevil, 1997).

Composant Concentration (g/L) Urée (CO(NH2)₂) 10 (4.65 gN/L)

Chlorure de sodium (NaCl) 5.2

Sulfate de sodium hydraté (10x) (Na2SO4.10H2O)

3.2

Bicarbonate de sodium (NaHCO3) 2.1

Chlorure d’ammonium (NH4Cl) 1.3 (0.34 gN/L)

Hydrogénophosphate de potassium (K2HPO4) 1.2

Peptone L37 1

Phosphate de potassium monobasique (KH2PO4)

0.95

Créatinine (C4H7N3O) 0.8

Sulfate de magnésium (MgSO4, 7H2O) 0.49

Acide citrique (C6H8O7) 0.4

Chlorure de calcium (CaCl2, 2H2O) 0.37

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Acide urique (C5H4N4O3) 0.07

Extrait de levure 0.005

Sulfate de fer II (FeSO4) 0.0012

L’urée est donc le principal composé azoté de cette urine synthétique. Ainsi, si l’on veut créer un module de traitement d’urine avec la colonne à lit fixe dont on dispose à l’Institut Pascal, il faudra trouver un moyen de convertir cette urée en source d’azote assimilable par N. europaea. Trois options se présentent alors :

 La dégradation thermique : la thermolyse de l’urée en NH3 s’opère à des températures supérieures à 150 °C (Bernhard et al., 2012).

 L’utilisation d’uréase : l’ajout d’enzyme à l’effluent.

 L’utilisation d’une troisième souche bactérienne possédant une uréase, Figure I-34 :

Figure I-34 : Représentation schématique de la transformation de l’urée en nitrate sous l’action de la « tri-culture ».

Dans le cadre de notre étude, il nous faut un moyen simple d’assurer la transformation de l’urée en ammonium. La dégradation thermique semble alors compliquée à mettre en place en raison de la faible efficacité du processus, des températures élevées de travail et de leur effet sur le reste du milieu de culture. De même pour l’ajout d’uréase dans l’effluent d’entrée, l’utilisation d’un additif ne paraît pas très réaliste pour une utilisation en conditions de systèmes de support vie. L’uréase devient un consommable supplémentaire à emporter lors du lancement, ce qui ne respecte pas la stratégie de MELiSSA qui est de réduire au maximum la masse emportée.

La solution la plus envisageable est alors l’ajout d’une souche possédant une uréase dans la colonne à lit fixe afin que l’urine soit dégradée de manière biologique sans apport d’un procédé ou de composés supplémentaires.

Urée NH₄+ NO₃

-Cupriavidus pinatubonensis

Nitrosomonas -Nitrobacter

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I.6.2 Sélection d’une souche dégradant l’urée : Cupriavidus pinatubonensis

Il s’agit ici d’un procédé qui n’est pas encore développé dans MELiSSA pour lequel nous avons réalisé quelques études préliminaires. Pour développer un module de traitement d’urine par voie biologique, il faut sélectionner une souche capable de dégrader l’urée présente dans l’urine et dont les conditions de croissance sont compatibles avec celles des deux bactéries déjà présentes dans le lit fixe.

La bactérie Cupriavidus pinatubonensis a été sélectionnée pour assurer la dégradation enzymatique de l’urée. Découverte dans un volcan (Sato et al., 2006), elle semble adaptée aux conditions extrêmes, et possède un métabolisme polyvalent lui permettant de dégrader différents composés. La « tri-culture » envisagée devra être composée de Cupriavidus pinatubonensis, Nitrosomonas europaea et Nitrobacter winogradskyi. Ce consortium devrait ainsi assurer la transformation de l’urée en nitrate grâce à l’action de trois bactéries.

I.6.2.1 Description morphologique

Cupriavidus pinatubonensis a été isolée dans des coulées de boues volcaniques du Mont Pinatubo aux Philippines (Sato et al., 2006). C’est une β-protéobactérie aérobie et GRAM négative. C. pinatubonensis est un bacille flagellé mesurant 0.3-0.6 x 0.8-1.6 µm (Sato et al., 2006). Elle forme des colonies circulaires convexes et blanches sur milieu gélosé.

Après un séquençage, il a été montré que Cupriavidus pinatubonensis était en fait Ralstonia eutropha, bactérie déjà connue et caractérisée (Mayer et al., 2010). Les dénominations de cette bactérie ont évolué au fil des années de recherche et depuis une dizaine d’années on la connaît sous le nom de Cupriavidus necator (Grousseau, 2012; Ledger et al., 2011).

I.6.2.2 Métabolisme

C. pinatubonensis présente un métabolisme autotrophe ou hétérotrophe selon les conditions dans lesquelles elle se trouve (Grousseau, 2012). Elle possède un panel d’enzymes large : oxidase, catalase, uréase, etc. Elle est aussi capable de réduire le nitrate en nitrite. Elle est notamment connue pour dégrader des composés aromatiques et on la trouve ainsi dans des sols pollués au métanitrophénol par exemple (Ledger et al., 2011). Plus de soixante composés aromatiques peuvent lui servir de source de carbone et d’énergie (Pérez-Pantoja et al., 2008). Cupriavidus pinatubonensis est aussi capable de pousser en symbiose avec des plantes comme Arabidopsis thaliana and Acacia caven (Ledger et al., 2011; Platero et al., 2016).

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I.6.2.3 Cinétique de croissance

De nombreux auteurs ont travaillé sur les cinétiques de croissance de Cupriavidus, et sur différents substrats dont une liste non exhaustive est donnée (Tableau I-16).

Tableau I-16 : Taux de croissance maximum µmax référencés dans la littérature pour le genre Cupriavidus.

Substrat µmax (h-1) Auteurs Acide formique 0.18 (Grunwald et al., 2015)

0.17 (Friedich et al., 1979)

0.23 (Friedebold and Bowien, 1993)

Acide propionique 0.025-0.2 (Kim et al., 1992)

0.26 (Grousseau, 2012)

Acide butyrique 0.33 (Grousseau, 2012)

Acide acétique 0.06-0.2 (Wang and Yu, 2000)

0.32 (Grousseau, 2012)

0.27 (Aragao, 1996)

Glucose 0.25 (Aragao, 1996)

0.26 (Gaudin, 1998)

Milieu minéral 0.25 (Kim et al., 1992)

Milieu riche 0.25 (Wang and Yu, 2000)

Cupriavidus pinatubonensis est donc une bactérie au métabolisme varié. Elle semble être un candidat intéressant pour dégrader de l’urée et créer un module compact de traitement de l’urine.

I.6.3 Une tri-culture pour dégrader l’urine au sein de la colonne à lit fixe

La colonne à lit fixe, réacteur à l’échelle laboratoire du compartiment nitrifiant de MELiSSA, est destinée à assurer la nitrification.

Cependant, dans une optique d’extension de la technologie développée à cet effet, nous avons pensé à modifier son objectif principal. Ainsi, le module qui sera mis en place devrait permettre de dégrader l’urine directement. On peut imaginer des applications possibles dans des installations ne disposant pas de systèmes de traitement des eaux. Par exemple : des habitations mobiles (camping-car, mobil-home), des bateaux (de loisirs ou de recherche scientifique), en aquaponie pour la culture simultanée de poissons et de plantes, ou encore dans une vision écologique afin de recycler l’eau des chasses d’eau. Ce module peut très bien être couplé avec une adaptation du compartiment de cultures de plantes supérieures.

75 En effet, ce couplage peut être intéressant lors d’expéditions à des fins scientifiques à bord de bateaux en conditions extrêmes (Antarctique).

En d’autres termes, cette première analyse des possibilités de dégradation microbiologique de l’urée et de l’oxydation simultanée de l’ammonium en nitrate indique que des potentialités sont à explorer. Il s’agit ici d’une extension du fonctionnement ‘normal’ du troisième compartiment de la boucle MELiSSA. C’est un sujet qui sera repris plus loin dans ce manuscrit, sachant que la maitrise de la colonne de nitrification et sa compréhension ouvrent la porte à de nouveaux champs d’étude, intéressant à la fois le développement de système de support vie pour l’exploration spatiale et des systèmes modulaires en général ciblés sur des applications terrestres particulières.