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Dynamique des pathogènes lors du stockage des digestats
Géraldine Maynaud, Christine Ziebal, Céline Druilhe, Anne-Marie Pourcher, Nathalie Wéry
To cite this version:
Géraldine Maynaud, Christine Ziebal, Céline Druilhe, Anne-Marie Pourcher, Nathalie Wéry. Dy- namique des pathogènes lors du stockage des digestats. Journées de la Méthanisation : Applications Agricoles et Industrielles, Moletta Méthanisation. FRA., Dec 2016, Chambéry, France. �hal-01605646�
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5ème Journées de la Méthanisation Chambéry, 6-8 décembre 2016
Dynamique des pathogènes lors du stockage des digestats
Géraldine MAYNAUD1, Christine ZIEBAL2,3, Céline DRUILHE 2,3, Anne-Marie POURCHER2, 3, Nathalie WERY1*
1 LBE, INRA, 102 avenue des Etangs, 11100, Narbonne, France
2 Irstea, UR OPAALE, 17 avenue de Cucillé, CS 64427, F-35044 Rennes, France
3 Université européenne de Bretagne, F-35000 Rennes, France
*Correspondance: nathalie.wery@supagro.inra.fr,+33 (0)4 68 42 51 86, fax: +33 (0)4 68 42 51 60.
Mots-clefs : méthanisation, digestats, pathogènes, activité microbienne, matière organique
La méthanisation constitue une voie de transformation des déchets organiques permettant de produire un digestat valorisable en agriculture comme amendement ou fertilisant, et du biogaz utilisable à des fins énergétiques. Bien que la filière de méthanisation représente un atout environnemental majeur, le digestat peut présenter un risque sanitaire en raison de l’éventuelle présence de microorganismes pathogènes apportés par les intrants d’origine urbaine ou agricole. L’impact de la digestion anaérobie mésophile sur les concentrations en pathogènes est faible et des phénomènes de re-croissance de bactéries pathogènes ont été décrits dans la littérature. De ce fait, la présence potentielle d’espèces pathogènes dans les digestats complique leur valorisation lors d’un retour au sol. La plupart des études sur le devenir des microorganismes pathogènes lors du stockage et de l’épandage des digestats sont focalisées sur l’influence de facteurs abiotiques (pH, température, taux de matière sèche et de matière volatile …) mais peu décrivent l’impact de facteurs biotiques tels que la diversité et l’activité microbienne. Dans un contexte de développement de la filière de méthanisation et de la valorisation des digestats en agronomie, le projet PRObiotic financé par l’ADEME a pour but d’étudier les paramètres qui conditionnent la survie des bactéries pathogènes lors du stockage des digestats. L’objectif est de mettre en relation la dégradabilité de la matière organique, la diversité et l’activité microbienne avec la survie de trois bactéries pathogènes potentiellement présentes dans les effluents d’élevage (Salmonella Derby, Listeria monocytogenes et Campylobacter coli).
Digestats étudiés
Une trentaine de digestats ont été collectés sur des sites de méthanisation représentatifs de la filière de méthanisation en France (voie liquide ou sèche, mésophile ou thermophile, avec ou sans post-digestion, avec ou sans post-traitement des digestats) et caractérisés par des analyses physico-chimiques, biochimiques et microbiologiques. L’étude de la survie des bactéries pathogènes a été réalisée en microcosmes sur 9 de ces digestats issus de méthaniseurs agricoles. Les 27 PROs prélevés rassemblent des digestats bruts (notés ‘B’), des fractions solides (S) ou liquide (L) de digestat suite à une séparation de phase et des fractions solides compostées (C). Trois sont issus du traitement des boues de stations d’épuration (notés
‘Boues’), 13 de sites de méthanisation agricole traitant principalement du fumier et du lisier (‘Ferm’), 2 d’un site de méthanisation d’ordures ménagères (‘OMR’), 2 de sites de méthanisation de biodéchets (‘Biod’) et 7 de sites territoriaux traitant différents types de déchets (boues de station d’épuration, déchets agricoles, déchets agro-industriels et de grandes surfaces…)(‘Terri’).
Une variabilité importante a été observée sur les différents paramètres physico-chimiques analysés (MS, MO, DCO, COT, NTK, Norga, NH4+
, Phosphore, Potassium) mais les moyennes
2
restent comparables à celles rapportées dans la littérature (rapport DIVA 2014, rapport MAFOR 2014, rapport Ademe 2011). Les fractions liquides sont caractérisées par de plus faibles taux de DCO, MO et COT, une proportion d’azote sous forme NH4+
plus élevée et une teneur plus importante en K que les fractions solides (valeurs exprimées selon la MS). Les fractions solides compostées forment un groupe plus homogène que les fractions liquides et les fractions solides brutes, et sont caractérisées par une stabilisation de la matière organique.
Les digestats bruts issus de méthanisation par voie sèche diffèrent nettement de ceux issus de méthanisation par voie liquide non seulement par leur teneur en matière sèche élevée mais également par leurs concentrations en DCO, COT et MO qui sont proches de celles mesurées sur les fractions solides. La variabilité des valeurs au sein de chaque famille de digestat est importante (CV en moyenne supérieur à 40%), en raison des différences de types d’intrants ou de procédés de digestion appliqué. Néanmoins, le post-traitement a un effet significatif sur les caractéristiques physico-chimiques des digestats (test de Student-Newman-Keuls, p <0,05), notamment par l’effet de la séparation de phase sur les différentes formes de l’azote et la stabilisation de la matière organique lors du compostage.
Lien entre activité microbienne résiduelle et dégradabilité de la matière organique Parmi les différents facteurs biotiques susceptibles d’induire l’inactivation des pathogènes dans les digestats, le projet s’est focalisé sur la compétition pour les nutriments entre les bactéries pathogènes et les bactéries indigènes. L’accessibilité de la matière organique des digestats a été caractérisée par une méthode de fractionnement chimique séquentielle et la complexité des molécules organiques de chaque fraction ainsi obtenue a ensuite été analysée par spectrofluorimétrie 3D, selon le protocole décrit par Jimenez et al. (2015) (Figure 2).
L’activité microbienne résiduelle du digestat a été estimée par la production cumulée de méthane en anaérobiose. Les analyses statistiques ont confirmé des corrélations positives entre la production de méthane et la fraction de la matière organique la plus accessible notée
‘SPOM’ (R2= 0,5, p<0.05) d’une part, et la production de méthane et la faible complexité de la matière organique d’autre part (R2=0,5-0,8, p<0.05, avec les zones I, II et III des spectres de spectrofluorimétrie 3D) (Figure 3).
Figure 2 : Approche expérimentale du projet PRObiotic
DOM : Matière organique dissoute
Gradient d’accessibilité (fractionnement)
Complexité (spectrofluorimétrie
3D) ACTIVITE
RESIDUELLE (production de
méthane) INACTIVATION
DES PATHOGENES
(microcosmes)
MATIERE ORGANIQUE
3
Figure 3 : ACP des données issues des tests d’activité résiduelle en anaérobiose (production de méthane), du fractionnement chimique de la matière organique et de la spectrofluorimétrie 3D sur 27 digestats.
A. représentation des variables (les 5 fractions correspondant aux différents niveaux d’accessibilité de la matière organique sont notées SPOM>REOM>SEOM>PEOM>NEOM ; les zones I à III relatives aux molécules organiques les moins complexes et les zones IV à VII aux molécules les plus complexes sont notées ‘1’
à ‘7’ pour chacune des 5 fractions ‘sp’, ‘re’, ‘se’, ‘pe’ et ‘ne’). B. représentation des individus (les 9 digestats utilisés pour l’étude en microscosmes sont en italique).
Etude en microcosmes de la survie de bactéries pathogènes
Neuf digestats issus de méthanisation agricole en voie liquide mésophile ont été inoculés avec les trois bactéries pathogènes à une teneur initiale de 106-107 CFU/mL. Leurs concentrations ont été suivies à la fois par PCRq et par des méthodes culturales, en microcosmes pendant 40 jours. Les 9 digestats comprenaient 3 digestats bruts (Ferm3b, 4b, 9b), 3 fractions solides compostées ou séchées (Ferm 1C, 5C, 7C), et 3 fractions liquides (Ferm 2L, 5L, 7L). L.
monocytogenes a montré une meilleure persistance (jusqu’à 40 jours pour certains digestats) que Salmonella Derby (survie jusqu’à 20 jours), elle-même étant plus résistante que C. coli (non détecté après 7 jours). Une perte de cultivabilité (induction d’un état dit ‘Viable mais Non Cultivable’) (Li et al., 2014) a été observée pour les trois bactéries pathogènes mais de manière non systématique. Les facteurs induisant la perte de cultivabilité des bactéries pathogènes dans les digestats restent à élucider.
Pour Salmonella Derby, les abattements sont positivement corrélés à la production de méthane, à la DOM et à l’humidité, et négativement corrélés à la MO peu accessible ou complexe, ce qui indiquerait un effet de compétition pour la ressource. Ainsi, plus la matière organique est accessible et l’activité des microorganismes indigènes intense, plus l’inactivation du pathogène est importante (Figure 3.A.). Pour Listeria monocytogenes, les abattements les plus importants ont été obtenus pour les composts et le digestat brut le plus stabilisé (Ferm9B). Une corrélation positive des abattements avec la MO peu accessible et complexe et avec le pourcentage de MV a été observée, ainsi qu’une corrélation négative avec la production de CH4, l’humidité et la DOM (Figure 3B). Pour les fractions liquides et les digestats bruts autres que Ferm9B, la concentration de Listeria monocytogenes a suivi une cinétique en deux phases présentant une décroissance après une phase de stabilité d’environ 7 jours. Pour ces digestats, l’effet de l’accessibilité de la matière organique est significatif lorsque l’on considère les taux d’inactivation de la seconde phase de la cinétique. Aucune corrélation significative entre les abattements de Campylobacter coli et les facteurs considérés n’a été trouvée.
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
-1.0-0.50.00.51.0
Dim 1 (43.70%)
Dim 2 (17.34%)
SPOM
REOM SEOM
NEOMPEOM sp1
sp2 sp3
sp4 sp5 sp6 re1 sp7
re2
re3 re4 re5
re6 re7 se1
se2 se3
se4 se5
se6 se7 pe1 pe2 pe3
pe4 pe5
pe6
pe7 Production de CH4 A.
-10 -5 0 5 10
-4-202468
Dim 1 (43.70%)
Dim 2 (17.34%)
Ferm10b Boues2S
Ferm3b
Ferm9b Ferm4b
Ferm2L Ferm7L
Ferm1c
Ferm5c Ferm7c
Boues1c
Biod1c Biod2c Ferm5L
Boues1S
Ferm14S Ferm14L Ferm13b
Terri1b Terri1S Terri2S Terri2L
OMR1c OMR1L
Terri4S Terri3L
Terri3S
DIGESTATS COMPOSTES B.
4
Figure 3 : ACP des variables d’inactivation (abattements à 7 jours et pente de la droite d’inactivation des données Log-transformées) de Salmonella Derby (A.) et Listeria monocytogenes (B.) et des mesures de caractérisation des digestats (activité résiduelle en anaérobiose, ATP, accessibilité et complexité de la matière organique, paramètres physico-chimiques)
Conclusion
Le projet a montré l’existence d’un lien entre l’activité microbienne dans les digestats et l’inactivation de Salmonella Derby. Cet effet barrière diminue avec la stabilisation de la matière organique. Certains auteurs avaient précédemment recommandé d’éviter le stockage sur une longue durée des composts qui pouvaient alors être plus susceptibles d’être contaminés par les salmonelles (Sidhu et al., 2001). Pour Listeria monocytogenes, la survie est au contraire très affectée dans des digestats compostés, ce qui pourrait être lié à une plus grande sensibilité de cette bactérie aux agents antibactériens produits par la flore des composts. Cette étude est la première à montrer que la capacité de la microflore des digestats à éliminer certaines bactéries pathogènes est liée à l’activité microbienne et à la biodégradabilité de la matière organique. Le caractère novateur de l’étude est lié au fait de considérer à la fois les conditions physico-chimiques, les ressources en nutriments et l’environnement biotique des bactéries pathogènes, par une approche pluridisciplinaire.
Cette étude a été financée par l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME, contrat n°1306C0032).
Références bibliographiques
- ADEME (2011). Qualité agronomique et sanitaire des digestats, 250 p.
- Jimenez et al. (2015). A new organic matter fractionation methodology for organic wastes: bioaccessibility and complexity characterization for treatment optimization. Bioresource Technology, 194:344-353.
- Rapport DIVA (2014). Caractérisation des digestats.
- Rapport MAFOR (2014). Caractérisation physico-chimiques et biologique des MAFOR, 2014.
- Sidhu et al. (2001). The role of indigenous microorganisms in suppression of Salmonella regrowth in composted biosolids. Water Research Vol 35, pp. 913-920
- Li et al. (2014). The importance of the viable but non-culturable state in human bacterial pathogens. Frontiers in Microbiology Vol 5 | http://dx.doi.org/10.3389/fmicb.2014.00258
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
-1.0-0.50.00.51.0 A.
Dim 1 (46.99%)
Dim 2 (16.54%)
Taux d’inactivation (qPCR) Abattement (qPCR)
Taux d’inactivation (culture)
Abattement (culture)
Recyclage ADN ATP
Production CH4 DOM
SEOM+PEOM Complexité SPOM
Complexité REOM
%humidité
%MV C total N total NH4+
K total P total
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
-1.0-0.50.00.51.0
B.
Dim 1 (50.56%)
Dim 2 (17.33%)
Tauxd’inactivation (qPCR)
Abattement (qPCR) Recyclage ADN
ATP
Production CH4 DOM
SPOM+REOM
SEOM+PEOM Complexité DOM
Complexité SPOM Complexité REOM
%humidité
pH
%MV C total
N total K total
P.total
