F. Edeline Lpuration biologique des eauxTHEORIE &
TECHNOLOGIE DES REACTEURS4e dition entirement revue et complte 5e
tirage
CEBEDOC EDITEUR2, rue Armand Stvart B4000 LigeTl. (04) 252 00 86
Fax (04) 254 03 63
11, rue Lavoisier F75384 Paris cedex 08Tl. (1) 42 65 39 95 Fax
(1) 47 40 67 02
LPURATION BIOLOGIQUE DES EAUXSOMMAIREAvant-propos
....................................................................................................
5
LE MTABOLISME MICROBIEN 1. 2. 3. 4. Energtique du
mtabolisme.............................................................................9
Mtabolisme des
dcomposeurs......................................................................27
Enzymologie......................................................................................................39
Dynamique des populations microbiennes
....................................................53
LES RACTEURS HTROTROPHES 5. 6. 7. 8. 9. Racteurs arobies
biomasse fixe (lits bactriens)
...................................81 Racteurs arobies biomasse en
suspension (boues actives)..................127 Racteurs anarobies
(mthaniseurs)...........................................................179
Dnitrificateurs
htrotrophes......................................................................225
Sulfatorducteurs
...........................................................................................235
LES RACTEURS AUTOTROPHES 10.
Nitrificateurs...................................................................................................241
11. Dnitrificateurs autotrophes
.........................................................................255
LES RACTEURS MIXTES 12. Racteurs algo-bactriens (tangs de
stabilisation) ....................................259 13.
Dphosphateurs
biologiques..........................................................................275
14. Racteurs charbon
actif..............................................................................283
Photo de couverture : Rotifre + flocs + bactries filamenteuses
de Sphaerotilus natans + quelques protozoaires pdonculs.
Grossissement 100 (Prof. J. Brakel et M. Culot, Facult des Sciences
Agronomiques de Gembloux, UER de Microbiologie).
APPENDICE Les domaines
dapplication...........................................................................291
Liste des notations et symboles utiliss
........................................................297
F. EDELINE est Ingnieur Chimiste A.I.Gx, Directeur honoraire du
Cebedeau, Professeur la Facult des Sciences Agronomiques de
Gembloux.
Avant-proposCet ouvrage nest pas un trait de microbiologie, on
ny trouvera donc pas de dveloppements dtaills sur le mtabolisme des
microorganismes, par exemple la description des diffrents cycles et
filires comme Krebs, Entner-Doudoroff, EmbdenMeyerhoff, Calvin,
etc. On ny trouvera pas davantage de cl dtaille pour
lidentification des microorganismes, ni un inventaire fouill des
enzymes et de leur mcanisme daction. Au contraire on a essay
dextraire de ce corps impressionnant de connaissances quelques
lignes synthtiques claires, point trop simplifies, et qui
permettent de guider lingnieur sanitaire aussi bien dans le choix
des procds dpuration que dans linterprtation de leurs
dysfonctionnements. Pour ceux quintresserait lapprofondissement de
ces matires, nous les renvoyons aux quelques excellents ouvrages
suivants : B ROCK , T.D., M ADIGAN , M.T. (1991). Biology of
microorganisms (6th ed.). Prentice-Hall Int. Ed. Buck H., Buck S.
(1987), Mikroorganismen in der Abwasserreinigung, F. Hirthammer
Verlag Mnchen. CURDS, C.R. (1969). An illustrated key to the
British ciliated protozoa commonly found in activated sludge,
(Water Poll. Res. Technical Paper n 12). FOX J.C., FITZGERALD P.R.,
LUE-HING C. (1981), Sewage organisms : a color atlas, The
Metropolitan Sanitary District of Greater Chicago, Illinois. GAUDY,
A.F., GAUDY, E.T. (1980). Microbiology for environmental scientists
and engineers, Mc Graw-Hill. PIRT, S.J. (1975). Principles of
microbe and cell cultivation, Blackwell (Oxford). VEDRY B. (1987),
Lanalyse cologique des boues actives (SEGETEC). La prsente version
des chapitres introductifs consacrs la biocintique et la
bionergtique doit beaucoup lrudition et la pratique pdagogique de
mes collgues la Facult des Sciences Agronomiques de Gembloux, MM.
Jacques Brakel et Marc Culot, respectivement Professeur et Chef de
Travaux, que je remercie pour leur aide dsintresse. Lige, le 30 mai
1993 F. EDELINE
DU MME AUTEUR : Lpuration physico-chimique des eaux THORIE &
TECHNOLOGIE Editions Cebedoc, 1996
ISBN 2-87080-030-4 Editions CEBEDOC sprl, Lige, 1997 Tous droits
de traduction, dadaptation et de reproduction rservs pour tous
pays. Printed in Belgium D/1997/0243/3
PREMIERE PARTIE
Le mtabolisme microbien
CHAPITRE PREMIER
Energtique du mtabolisme
La matire vivante est thermodynamiquement instable, et ne peut
se maintenir sans un apport continu dnergie. Cette nergie provient
du soleil (nergie lumineuse) ou de la dgradation des aliments. Le
flux dnergie solaire sur la terre est de 20 cal/m2. min. La matire
vivante respecte les lois de la thermodynamique,et en particulier
le 2e Principe, selon lequel lentropie augmente toujours. Un
transfert dnergie ne se droulera spontanment que sil a lieu dun
niveau lev vers un niveau bas : les ractions spontanes sont
exergoniques. Lnergie libre G est celle qui est rendue disponible
au cours dune raction chimique isotherme et isochore (Tet P
constantes). Cette nergie nest toutefois pas rcuprable intgralement
en travail, une partie tant ncessairement dissipe en chaleur.
1. Variation dnergie libre
G = Potentiel thermodynamique pression et temprature constantes,
ou nergie libre (chez les anglo-saxons : F). H = Contenu de chaleur
ou enthalpie. S = Entropie. T = Temprature absolue.
Par convention une nergie libre par une raction exothermique (H)
ou exergonique (G) est considre comme ngative. Lquation G = H TS
(1.1) donne la variation dnergie libre au cours dune raction. H est
la modification denthalpie ou chaleur de raction. TS est la portion
de lnergie libre qui apparat sous forme de chaleur, c. . d. non
utilisable : cest la chaleur de raction rversible. Selon Ppel, elle
se monte 7-13 k cal. par g de C dgrad. Par ex., pour loxydation du
glucose G = 691 kcal/mole dans un calorimtre, alors quon ne peut en
fait rcuprer que 673 kcal dnergie chimique. On a donc : C6H12O6 + 6
O2 6 CO2 + 6 H2O TS = 18 kcal = H G = 673 ( 691) kcal. En pratique,
pour la dgradation de molcules organiques, le terme TS est faible
devant H, et on peut souvent admettre, pour les estimations, G = H.
Ce sont les composs covalents, dont la dgradation libre beaucoup
dnergie, qui constituent 9
ENERGETIQUE DU METABOLISME
des substrats intressants pour les bactries htrotrophes. Pour
dautres processus, comme la dissolution de cristaux dans leau, cest
TS qui est le terme dominant, car le dsordre crot beaucoup, alors
que la chaleur change peu. Ce sont des composs lectrovalents, dont
la dgradation libre comparativement peu dnergie, et qui ne sont
donc pas utiliss par les microorganismes. Lnergie libre nest
videmment pas utilise sous forme de calories ( peu prs sans intrt
pour la cellule) mais pour effectuer un travail essentiellement
chimique. Par exemple la synthse dune protine partir dacides amins
exige 7 k cal par reste damino acide ; de mme la synthse des
hydrates de C partir de CO2 exige + 114 kcal/mole CH2O (cas du
Nitrosomonas sp.). Pour la resynthse du glucose il en faut donc
environ : 6 x 114 = 684 ce qui correspond bien ce qui est libr par
la dcomposition du glucose. Toutes les oxydo-rductions cellulaires,
accompagnes de transfert dnergie (par transfert progressif
dhydrogne ou dlectrons) peuvent tre caractrises par un rH : un
enzyme dtermin ne peut travailler nimporte quel rH. Les couples
redox se distinguent par leur potentiel redox ou par leur rH. On a
: rH = colog [H2] = log 1 [H2] En milieu aqueux, les valeurs
extrmes sont : n rH = 0 pour [H2] = 1 atm H2 2 + 2e [A] (lectrode
normale hydrogne, pH 0). (N.B. tout rducteur plus fort rduit H2O).
n rH = 41 pour [H2] = 1041 O + H2O + 2e 2 OH [B] (N.B. tout oxydant
plus fort oxyde H2O). Le Eh est une notation quivalente au rH, et
dfinie par Ox Eh = Eo + RT log Red Si on fait la mesure dans un
systme mi oxyd-mi rduit o [Ox] = [Red], le terme log Ox/Red = 0 et
il reste E0, le potentiel normal. On choisit nouveau comme zro de
lchelle le potentiel de llectrode normale hydrogne, pH 0. En
biochimie, on prfre le noter Eh et le mesurer pH 7, qui est peu prs
le pH interne des cellules. On calcule que cela rduit le potentiel
de 0,4 V (lorsque le nombre n dlectrons impliqus est le mme que le
nombre de protons) : nH+ Eh = Eh 0,4 ne Enfin on fait gnralement la
mesure par rapport une lectrode au calomel, plus commode que
llectrode lhydrogne. Cette lectrode a un potentiel normal de + 250
mV par rapport llectrode H2 : Eh = Ecal + 250 10 H+
Soit enfin une raction donnant lieu lquilibre : A+B C+D (1.2)
Lorsque cet quilibre est atteint, il ny a plus de conversion de A
et B en C et D ni rciproquement et le potentiel thermodynamique ne
varie plus : G = 0 A ce moment galement on dfinit la constante
dquilibre K= [C] [D] [A] [B] (1.4) (1.3)
Lquation gnrale pour le calcul de G G = RT ln [C] [D] [A] [B] RT
ln K (1.5)
se simplifie alors en tenant compte de (2) et (3), et permet de
poser G = RT ln K (1.6) On appelle G potentiel thermodynamique
normal de la raction car on voit que si toutes les concentrations
sont normales (gales 1) dans (5), il reste (6). Lquation (5) permet
de calculer le G pour toutes conditions autres que lquilibre. Le G
est exprim en cal/mol et peut tre calcul, mais il est galement li
au rH et au potentiel redox, comme on va le voir. Lnergie libre
libre ou absorbe par une raction est lie au saut de rH
correspondant (rH) n G = 2,3 RT . rH = 1420 rH ( 37 C) 1364 rH ( 25
C) Cest ainsi que la raction globale H2 + 1/2 O2 = H2O fait passer
le rH de 0 41 do G= 1420 x 41 = 58 000 cal/mol. G est li de mme au
saut de potentiel redox (E0) exprim en mV G = nFEo = 23,06 nE0 En
effet F = 96 500 coulombs, et 1 cal = 4,186 joules. De mme, on a rH
= 2 pH + Eh 29 do rH = 14 + Eh 29
Cest prcisment cette nergie (58 000 cal/mol) qui est libre et
rcupre en bout de chane par lATP au cours du mtabolisme arobie, o
loxygne est laccepteur final de lhydrogne. Mais cette libration est
tage, grce plusieurs cytochromes. Ce sont donc dune faon gnrale les
rducteurs qui sont intressants comme aliments pour les bactries,
car ce sont des rservoirs dnergie chimique potentialise : des
donneurs dhydrogne. Ex. : mat.organiques, H2, H2S, NH3 11
ENERGETIQUE DU METABOLISME
Paracoccus denitrificans
Thiobacillus ferrooxidans
2. Les deux faces du mtabolismeTableau 1.I Quelques ractions
nergtiques bactriennes (classes par ordre dnergie libre). F =
fermentation. En rsum on peut dire que les librations dnergie
libres seront caractrises, dans les systmes vivants comme ailleurs,
par un donneur dlectrons (ou un donneur dhydrogne) et par un
accepteur dlectrons (oxydant). Dans une chane mtabolique, le
premier et le dernier maillon de la chane sont particulirement
importants identifier. Le premier est le substrat nergtique et
caractrise une certaine spcialisation du microorganisme. Le dernier
ou accepteur final dlectrons caractrise le rgime mtabolique (par
ex. arobie sil sagit de loxygne). Globalement la chane de ractions
librant de lnergie est appele catabolisme (ou dissimilation, ou
oxydation). Paralllement, la cellule aura besoin dune source de
carbone pour synthtiser ses composants cellulaires. On verra que la
source de carbone peut tre la mme que le substrat nergtique, mais
que ce nest pas toujours le cas. La chane des synthses est appele
anabolisme (ou assimilation). On peut lenvisager comme compose de
deux tapes. La premire est la formation de prcurseurs chimiques (au
nombre de 12). Lorsque la source de carbone est une matire
organique prforme, il suffit darrter la chane catabolique au bon
endroit pour obtenir les prcurseurs souhaits. Sinon loxydation se
poursuit, ventuellement jusquau stade CO2 et H2O. Lorsque la source
de carbone est le CO2, les prcurseurs devront tre obtenus par
synthse. Les prcurseurs, leur tour serviront de matriaux de
construction, et seront lobjet de synthses diriges pour aboutir aux
composs prcis dont a besoin la cellule.
Organismes-types
Sphrotilus natans
Zymomonas sp.
Thiobacillus sp.
Acetobacter sp.
Nitrosomonas
Desulfovibrio
Lactobacillus
6 CO2 + 12 N2 + 42 H2O
2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2
2 CH3CH2OH + 2 CO2
Raction nergtique globale
2 CO2 + 2 H2
O + HS-
Nitrobacter
2 CH3 CHOH COOH
NO2- + H2O + 2 H+
6 CO2 + 6 H2O
5 C6H12O6 + 24 NO3- + 24 H+
SO4 + H+
CH4 + 2 H2O
CH3COO- + SO4- + 2 H+
CH4 + CO2 CH3 COOH
NO3NO2 + 1/2 O2
C6 H12O6 + H2O
C6 H12O6 + 2 H2O
C6H12O6
Fe++ + 1/4 O2 + H+
C6H12O6 + 6 O2
NH4+ + 3/2 O2
HS + 2 O2
CO2 + 4 H2
Fe+++ + 1/2 H2O
G kcal/mol
- 190,4
- 32,2
- 638
- 686
- 97
- 65
- 20
- 49,7
- 1,04
- 206
- 226
- 6,8
3. Les sources dnergie et les accepteurs dlectronsLnergie est
utilise par les microorganismes essentiellement sous ses formes
chimique et lumineuse. Le groupe le plus intressant pour le gnie
sanitaire est celui des organismes htrotrophes, qui tirent leur
substance de loxydation de matires organiques prexistantes.
Certaines de ces ractions sont arobies, dautres sont anarobies,
selon quelles utilisent ou non loxygne comme accepteur final
dlectrons. On constate que les anarobies fournissent (v. notamment
dans loxydation du glucose) environ 20 fois moins dnergie. Les deux
types peuvent coexister dans une mme cellule. On admet quun systme
est anarobie si son Eh est < 250 mV. Pour tous ces organismes
htrotrophes, la matire organique est la fois source de carbone et
source dnergie. Mais il y a en gnie sanitaire un autre groupe
important dorganismes, celui des autotrophes, parmi lesquels on
distingue : n les phototrophes : ce sont les algues et les plantes,
ainsi que certaines bactries, qui utilisent lnergie lumineuse pour
synthtiser leur matire organique partir de 13
Source Source Accepteur de carbone dlectrons dlectrons
SO4
NO3
CHO
CHO
CHO
CHO CHO Mthanognse
CO2
O2
O2
O2
O2
NH4+
CHO
CHO
CHO
CHO
CHO
CHO
NO2-
CHO
CHO
CHO
CHO
CHO
CHO
CO2
CO2
CO2
CO2
Organotrophes respiration arobie
Sulfatorduction
F. homolactique
Mthanognse
Sulfooxydation
Dnitrification
F. alcoolique
Nitrification
F. actique
12
Ferrobactries
Nitratation
CO2
Fe++
HS
H2
O2
ENERGETIQUE DU METABOLISME
CO2. Le donneur dhydrogne est alors H2O pour les plantes vertes,
et H2S pour les bactries soufres, avec formation de O2 dans le
premier cas et de S2 dans le second. Ce sont des photosynthses,
ncessitant des pigments spcialiss (chlorophylle,
bactriochlorophylle). n Les chimiotrophes : dnus de pigments,
oxydent diverses substances inorganiques et utilisent lnergie ainsi
libre pour synthtiser ensuite la matire organique partir de CO2,
qui est leur source de carbone. Le tableau 1.I donne le G
correspondant quelques composs covalents servant souvent de
substrat aux htrotrophes. Tableau 1.I G oox pour loxydation complte
de quelques composs covalents (en kcal/mol) (daprs SERVIZI &
BOGAN). G oxydation glucose = fructose acide fumarique acide
pyruvique acide butyrique acide glutamique acide lactique acide
succinique lactose glycrol acide formique acide actique acide
propionique acide malique acide citrique glycine alanine phnol
acide benzoque (1) formaldhyde (aq) benzne actaldhyde (1) 687 333
282 514 475 340 369 1 381 407 66 208 360 336 ~ 498 161 311 729 773
120 765 270 G formation 216 157 114,1 91,5 170,4 124 178,8 113,6
85,1 94,5 92,1 211 ~ 294 87,8 88,9 11 59,2 31 29,8 31,9 G de
quelques substances chimiques simples : O2 216 CO2 94,26 H2O
56,69
des cellules (en mg O2/h. cellule) dans des cultures o on
insuffle des mlanges O2 + N2 de plus en plus pauvres. On constate
ainsi que la respiration reste constante pour 100 % > O2 > 25
% mais quensuite elle dcrot proportionnellement la richesse en O2
pour 25 % > O2 > 0 %. Le cycle de Krebs est compltement arrt
lorsque O2 < 10 %, et de nombreuses autres observations sur les
filires mtaboliques (notamment concernant la formation dacide
actique) sont faites. Il semblerait en consquence exister 4 seuils
marquant le passage du mtabolisme arobie au mtabolisme anarobie.
Tableau 1.II Tableau des accepteurs dlectrons utilisables par les
bactries en fonction du potentiel redox (daprs LE GALL). Forme
oxyde O2 NO3 Fe+++ SO4 H+ CO2 Forme rduite H2O N2 Fe++ S H2 CH4
Domaine de potentiel Eo (mV) + 200 + 600 0 + 200 200 0 400 200
400
N.B. : Mn++++ se trouve immdiatement sous le fer.
En fait laccepteur final des lectrons, ou quivalents rducteurs
enlevs aux substrats, change en fonction du potentiel redox du
milieu, comme le montre le tableau 1.II. On voit que les
mtabolismes arobie et anarobie sont situs chacun aux possibilits
extrmes du redox. Lextraordinaire varit des combinaisons possibles
est montre dans le tableau 1.III qui reprend les principales
modalits intressantes en gnie sanitaire. Dans ce tableau, CHO
dsigne un compos organique. Une vue plus dtaille des chanes de
ractions venant du donneur laccepteur sera fournie au chap. 2, qui
traite plus prcisment des enzymes. Le schma suivant montre comment
sopre le transfert dH ou de dun donneur un accepteur. On voit quil
sagit toujours de ractions couples, dont on a, chaque fois, donn
ci-dessus la somme. Remarque : le systme de transfert dH2 ne
ncessite pas dO2, il est dit anarobie, alors que le systme de
transfert dlectrons ncessite O2 et constitue la partie proprement
arobie du mtabolisme. Seuls, les organismes arobies disposent de ce
systme. Toutes ces nergies sont stockes, transportes et utilises
essentiellement par lATP 15
Beaucoup de bactries, dites facultatives, sont capables de
mtaboliser leurs substrats volont en milieu arobie ou anarobie. On
tudie actuellement (HARTLEY, 1985) les switches mtaboliques en
mesurant le taux de respiration spcifique 14
ENERGETIQUE DU METABOLISME
(adnosine-triphosphate) grce sa liaison riche, qui la vhicule
par paquets de 7 000 9 000 cal./mol. Il y a donc quantification de
lnergie libre, et perte dnergie si une raction libre moins de 8 000
cal./mol. Cest une des raisons pour laquelle les rendements ne sont
jamais quantitatifs. LATP relibre lnergie emmagasine lors de son
hydrolyse, loccasion de toutes les activits vivantes (p. ex.
synthses cellulaires). Il y a jusquici six types connus de ractions
capables de reformer lATP partir dADP (adnosine diphosphate). Il y
a une remarquable uniformit dans les cycles nergtiques et les
cycles de dgradation enzymatique chez tous les tres vivants, et en
particulier chez les microbes.
4. Rendement nergtique des arobiesLors de la mtabolisation de
substrats bien quilibrs, abondants et non carencs en azote ou en
phosphore, on observe des rapports constants entre le carbone
assimil et le carbone utilis, et de mme pour les lectrons : C
assimil = 0,56 0,60 C utilis e assimils = 0,58 0,65 (lIAWQ suggre
de retenir 0,67) e utiliss Comme les substrats sont des donneurs
dlectrons, on peut les caractriser par leur nombre dlectrons
disponibles, qui se calcule comme suit :
Substrat
Produit oxyd
n mesurer le nombre de moles dO2 ncessaire pour loxydation
complte dune mole de substrat : ceci est identique la DCO par mole.
n multiplier le rsultat par 4, qui est le nombre dlectrons-grammes
ncessaires pour rduire une mole dO2 selon O2 2 O -- .
Dshydrognases Systme de transfert dH2
Ex. : le glucose vaut 24 lectrons grammes, puisquil ncessite 6
O2 par C6H12O6. Remarque : On voit que le rapport DBO doit toujours
tre 0,4 pour un substrat DCO dgradable.
Flavoprotine
Tableau 1.III Flux dnergie dans la matire vivante. Tableau
densemble (DECKER, JUNGERMANN, THAUER).
Donneur dlectrons (dshydrognation)Cytochromes
Accepteur dlectrons (hydrognation) 4 H + 2 pyruvate 2 lactate 24
H + 6 O2 12 H2O
G kcal/mol 47,5
Chimiotrophie
Systme de transfert dlectrons
Fermentation Glucose 2 pyruvate + 2 H++ 4 H (anarobie)
Respiration (arobie) Glucose + 12 H2O 6 HCO3 + 6 H+ + 24 H
680,2
Phototrophie
h Photosynthse H2O 1/2 O2 + 2 H+ + 2e h Chlorophylle Chl (*) +
le
2e + 2 H+ 2 H le + Chl (*) Chl
(**) + 56,7 0
Fig. 1.1 Schma gnral du mtabolisme (daprs STANIER, DOUDOROFF et
ADELBERG).
N.B. Le mtabolisme de lnergie apparat comme un systme
dhydrognation et de dshydrognation couples. Chl (*) = Chlorophylle
excite. (**) Cest la photolyse de leau, qui exige autant dnergie
que nen libre loxydation de H2.
16
17
ENERGETIQUE DU METABOLISME
Les substances fermentes servent uniquement la fourniture
dnergie, alors que le carbone assimil vient presque intgralement de
molcules prformes, obtenues par dgradation dun substrat en ses
monomres. Au point de vue thermodynamique, le G conserv par les
cellules est proportionnel au G disponible (arobie ou anarobie).
Par contre, lapplication du Second Principe entrane que S 0 lors de
la synthse cellulaire. On peut distinguer quatre types de S dans
les oprations du mtabolisme cellulaire :
n condensation mise en ordre
font dcrotre S.
n transfert de H conversion de nutriments en rsidus
font crotre S.
pour que S 0, la cellule doit donc produire un minimum de rsidus
(par calcul : 0,03 g/g) par g de biomasse forme. Mais en fait la
cellule produit 3,3 fois plus de dchets que ncessaire (il y a des
pertes dans la formation dATP comme on la vu). On peut admettre
(ROELS, 1980) quen moyenne (pour 488 substances organiques
communes) : 1 lectron disponible = 26,616 3,0 kcal denthalpie ; or
1 g bactries sches = 5,195 kcal ( la bombe) et 1 lectron disponible
permet la synthse 5,195.3,14 = 16,3 kcal/e de 3,14 g de biomasse La
chaleur des bactries provient des substrats, mais sur 26,6 kcal
disponibles 16,3 sont assimils, (62 %) 10,3 sont dissimuls, (38 %)
Toute cette nergie passe par lATP, et on a (SERVIZI et BOGAN,
1963), si on appelle Y le poids de bactries formes par rapport
lnergie utilise : Y = k1 NATP = k1k2 Gox = k1k2k3 DCO = 0,32 0,38
DCO+ Tableau 1.IV Rendement bactrien arobie pour divers substrats
(avec NH4 comme source dazote).
Dautre part on mesure en moyenne YATP = 10,5 gB/moleATP, que ce
soit en milieu arobie ou en milieu anarobie (B = biomasse). Lnergie
prise au milieu, qui est la somme de celle incorpore la cellule et
de celle dpense par catabolisme, peut donc tre calcule de deux
faons : a) prendre le H entre les produits entrants et sortants ;
b) multiplier par 106,4 = 26,6 x 4 le nombre de moles dO2 consomms
par mole de substrat (le transfert de 4 e.gr dune source organique
loxygne libre 106,4 kcal/mole). Puisque le.gr libre 26,6 k. cal
denthalpie et permet la synthse de 3,14 g de biomasse, on peut
former : 0,118 g B/kcal. Il semblerait que pratiquement ce
rendement soit gal : 0,116 en arobiose 0,130 en anarobiose.
Connaissant la proportion moyenne des divers composants organiques
dans une cellule, ainsi que lnergie ncessaire pour les produire
partir de leurs monomres, on peut calculer que la synthse des
polymres ne reprsente que 30 % de la dpense dATP des cellules
(GUNSALUS et SCHUSTER, 1961). Le reste de lATP est utilis pour les
autres travaux numrs en 2.5.2. Ex. : 7 8 % pour ladsorption. N.B. :
Lapplication directe de ces formules dquivalence aux stations
dpuration donnerait un taux constant de production de boue
secondaire, ce qui nest pas observ en pratique. En fait ce taux de
0,6 concerne les cultures non limites , c..d. en phase de
croissance exponentielle. Dans une station dpuration, on est le
plus souvent en phase de dclin, o les conversions ci-dessus sont
partiellement compenses par la respiration endogne, (v. chap. 2) de
sorte que la production de boue est moindre, parfois mme nulle. Le
rendement net de conversion de S en B, gnralement not Y, nest donc
pas une constante mais une fonction du taux de croissance (S =
substrat). Lanalyse qui prcde est faite partir des considrations de
PAYNE (1970) et mne mieux comprendre la signification de la DCO
comme mesure de pollution. Une analyse diffrente, faite par ROELS
(1980) met en vidence le fait que la mesure du carbone organique,
aujourdhui trs en vogue, est au contraire un indice trs discutable.
Lanalyse de ROELS se fait partir du concept de degr de rduction .
Celui-ci, lorsque la bactrie dispose de NH3 comme source dazote,
est dfini comme suit : = 4a + b 2c a pour un substrat S de formule
Ca Hb Oc. Le degr de rduction varie entre 0 (pour CO2) et 8 (pour
CH4) et le de la biomole de ROELS, CH1,8O0,5N0,2 vaut 4,80 (v.
galement chap. 2). Comme une bactrie htrotrophe se sert de son
substrat la fois comme source dnergie et comme source de carbone,
on peut supposer que le idal pour un substrat sera celui qui nexige
delle ni un travail doxydation ni un travail de rduction, soit
4,80. En pratique, les 19 (1.8)
Rendement Y (g biomasse/g DCO) Thorique Observ Glucose Ribose
Glycrol Acide actique Acide palmitique Hexane Benzne Acide
glutamique Arginine (daprs SYKES, 1975). 0,39 0,39 0,38 0,34 0,35
0,32 0,29 0,36 0,32 0,38 0,42 0,41 0,34 0,34 0,36
18
(1.7)
ENERGETIQUE DU METABOLISME
Tableau 1.V Comparaison de diverses molcules 2 carbones.
Substance PM MO2/ MS CH3CH3 CH2=CH2 CH3CH2OH CH3CHO CH3COOH CHOCHO
COOHCOOH 7 6 6 5 4 3 1 30 28 46 44 60 58 90 3,5 3 3 2,5 2 1,5 0,5
DCO mg O2/ mg S 3,73 3,43 2,09 1,82 1,07 0,83 0,18 G kcal/ mol (
370) ( 320) ( 320) 270 208 ( 159) ( 53)
mg O2/ mg C 4,67 4,00 4,00 3,33 2,67 2,00 0,67
Respiration spcifique des boues actives la station municipale de
Tirlemont R = consommation en mg O2/g BA min. t = temprature en
C
Le tableau 1.V qui reprend les diverses molcules possibles avec
2 atomes de C, et dont toutes donnent le mme rsultat en carbone
organique, accuse trs bien ces diffrences. Le G par Cmol peut tre
facilement calcul partir du nombre de moles dO2 ncessaire pour
oxyder une mole de S, en utilisant le facteur 106,4 vu plus haut.
Il en dcoule ncessairement que le G par Cmol est une fonction
linaire de et nest aucunement li au carbone organique.
Temprature C
nombreuses tudes de fermentation effectues montrent que ce idal
vaut plutt 4,50 et que : si < 4,50 : le substrat contient trop
de carbone et pas assez dnergie ; si > 4,50 : le substrat est
trop riche en nergie et pas assez en carbone.
5. Rendement nergtique des anarobiesLe rendement de croissance
des anarobies semble valoir en moyenne 10,5 (max. : 15) en ATP. Ce
serait donc une constante biologique, puisquil est identique celui
des arobies (ATP = g de biomasse synthtise par mole dATP). La
mesure doit se faire en condition nergie limite, et en phase
logarithmique de croissance. En outre, la valeur 10,5 nest valable
que si on fournit la cellule les monomtres prcurseurs dont elle a
besoin. Or une mole de substrat consomm fournit un nombre variable
de moles dATP : en gnral 1 mole dATP pour un mole de compos en
C3.
6. Comparaison des deux mtabolismesRamen au poids de cellule
formes, en comparant les mtabolismes arobie et anarobie, on calcule
que pour le mme substrat en C6 et la mme production cellulaire, le
nombre suivant dunits C6 sera utilis (JUNGERMANN et al.) : 20 Log
R(0,056)
Rt = 1,356 1,173t 20 = 0,611 1,173t 15 21
ENERGETIQUE DU METABOLISME
Tableau 1.VI Mtabolismes arobie et anarobie. Affectation
Production dnergie 6,3 120 19 fois moins rentable Prparation des
prcurseurs anaboliques 15 15 mme production cellulaire % assimil 70
11 = production de boue en phase log.
T la temprature en Kelvin ( 0 K = 273,1 C) ; R la constante des
gaz parfaits (1,98 cal/ mole) ; E lnergie dactivation de la
raction. Si cette loi est valable, on peut lintgrer en (1.10) ln K
= E + constante RT de sorte quen portant log K vs 1 on obtient une
droite de pente E = E T 2,3 x 1,98 4,58 qui permet de calculer
lnergie dactivation. En biochimie ces nergies varient environ de 8
000 18 000 cal/mole. Lorsquon ne connat que deux valeurs de K
obtenues des tempratures diffrentes, on peut appliquer (1.10)
chacune delles, et soustraire membre membre, ce qui donne do on
tire ln K1 ln K2 = E + E RT1 RT2 1 1 (1.11) log k2 = E k1 2,3 R T1
T2 et enfin k (1.12) T .T E = 4,58 1 2 . log 2 k1 T2 T1
Cellule arobie Cellule anarobie Commentaire
21,3 135
Cette comparaison est extrmement importante, car elle donne un
avantage dterminant lpuration anarobie, qui en outre permet la
rcupration de lnergie non libre, sous forme de CH4. Le dsavantage
du procd est toutefois la lenteur de reproduction des ferments
mthaniques. Tableau 1.VII Comparaison des H librs par la
mtabolisation arobie et anarobie. Substrat PM H arobie kcal/mol
kcal/g mthanol CH3OH monosaccharide ure CO(NH2)2 acide butyrique
CH3(CH2)2COOH
(
)
anarobie kcal/mol kcal/g 18,8 35,4 27,6 13,3 0,59 0,19 0,36
0,15
32 180 60 88
347 652,5 178,4 501,0
10,8 3,6 2,97 5,7
C6H12O6
En fait, la temprature influence dautres grandeurs que K, et
notamment la viscosit, la densit, la tension superficielle, la
tension de vapeur, , de sorte quon observe souvent des carts cette
loi. Cette loi de croissance ne comporte aucun maximum, et ne peut
donc tre observe que pour des systmes enzymatiques bien audessous
de leur maximum dactivit. Lorsque le maximum sapproche, lenzyme
commence se dcomposer, ou le complexe enzyme-substrat. Au-del, la
dcomposition lemporte et la raction ralentit. Les courbes des fig.
1.1a et 1.1b montrent effectivement une branche ascendante linaire
obissant la loi dArrhenius, mais celle-ci plafonne puis culmine
vers 37 C pour ensuite descendre rapidement sous leffet dune
dsactivation thermique. Pour cette raison, le facteur (v. ci-aprs)
trouv dans des installations tropicales est toujours bien infrieur
celui des rgions tempres (p. ex. 1,053 au Burkina Fasso, TOURE
1986, contre 1,099 en Belgique, VANDEVENNE, 1986). GOMA a critiqu
fondamentalement lutilisation de la loi dArrhenius et du concept
mme dnergie dactivation. La sensibilit la temprature varie trs fort
pour divers aspects du mme processus. En outre, si E < 8 000
kcal/mol, il y a une forte chance pour que le processus soit plutt
limit par la diffusion, car mme basse temprature il y a toujours
suffisamment de molcules actives. Diverses approximations la loi
dArrhenius ont t proposes, dont la plus courante a la forme
(PHELPS, 1944) kt = k20 . t20 (1.13) En effet, si on note que dans
(1.12) E vaut environ 14 000 cal/mole pour les processus ordinaires
de la biodgradation, et si on admet de passer des K aux C par
lapproximation 23
(Daprs SCHMIDT et KLUG, 1969 et COONEY et LEVINE, 1972).
7. Influence de la tempratureLa temprature influence fortement
la cintique des processus biologiques, puisquelle traduit la plus
ou moins grande agitation des molcules. Lquation fondamentale ce
sujet, comme en cintique chimique, est la loi de vant H OFF
ARRHENIUS : 1 . dK = dlnK = E (1.9) 2 K dT dT RT o K est la
constante cintique de la raction (systme nprien) ; k est la
constante cintique de la raction (systme dcimal) ; 22
ENERGETIQUE DU METABOLISME
1 1 = 0,0000117 (t t ) 2 1 T1 T2 (valable aux tempratures
habituelles) il devient possible de passer des logarithmes (q.
1.12) lexponentielle, avec k2 = k1 . 100,0368 (t2-t1) = k1 .
1,088(t2-t1) (1.14) En pratique toutefois, est presque toujours
infrieur cette valeur. Le coefficient reoit une valeur diffrente
par tranche de temprature : de 5 15 : 1,109 de 15 30 : 1,042 1,047
en moyenne (GOTAAS, 1948) de 30 40 : 0,967
Fig. 1.3 Organisation autour dun ion Na+, daprs HORNE (ed.)
Water and aqueous solutions, p. 259, J. WILEY et SONS, 1972.
Lpaisseur des couches vicinales est mal connue : 3 5 molculaires
selon les uns, 300-1000 pour les autres. En tout cas, au moins 25 .
Ce phnomne expliquerait aussi les biocnoses stables dans des
fourchettes de temprature prcises, et changeant brusquement de
dominance. Dans une communaut, la majorit des espces doit partager
la mme limite thermique suprieure sous peine de dstabilisation. Ces
communauts stablissent dans les zones gographiques adquates, et
sont sensibles aux catastrophes ou la pollution thermique. Ex. : la
communaut arctique est stable si t < 15 et instable si t > 18
. Mme observation avec discontinuit 30 , en faveur dune communaut
tropicale ou subtropicale. Enfin, on aurait une instabilit gnrale
pour t > 37 et mort 45 C.
Fig. 1.2a et 1.2b Effet de la temprature sur la croissance. a.
Acinetobacter calcoaceticus sur milieu tryptone de soja (bactrie
importante pour llimination du phosphore), daprs DUPREEZ et
TOERIEN, 1978. b. Application de lquation dArrhenius aux vitesses
de croissance dE. Coli (O) et dun Pseudomonas (X), daprs INGRAHAM
(1958). Les figures retraant lactivit bactrienne en fonction de la
temprature prsentent souvent des brisures, des changements abrupts
de pente. DROST-HANSEN et CLEGG (1979) suggrent une interprtation
intressante cette observation. Leau, et particulirement leau
cellulaire, nest pas une phase continue homogne. Au contraire, leau
situe prs des parois, des membranes, des ions, tend se structurer :
cest leau vicinale (voir fig. 1.3 organisation autour dun ion Na+).
Cette organisation prsente des points singuliers des tempratures
prcises (15 30 45 notamment). La premire couche est fixe par
adsorption molculaire une surface hydrophile, ce qui restreint ses
mouvements mol culaires. La restriction sattnue pour les couches
suivantes et devient nulle pour le sein du liquide. Leau vicinale a
des proprits singulires de viscosit, de diffusion, dchange ou
rtention dions, de slectivit ionique , la notion de pH y est
difficile appliquer. Le mode dorganisation change brusquement
certaines tempratures (transition). Ceci expliquerait les courbes
dArrhenius prsentant des branches de droite plutt quune courbe
continue (voir fig. 1.4 pour la pyruvate kinase). Lnergie
dactivation varierait donc brusquement, presque toujours aux mmes
tempratures, en liaison avec les complexes enzyme-substrat. 24
Fig. 1.4 Pyruvate kinase (daprs DROST HANSEN, 1979). 25
La temprature influence galement le rendement cellulaire : basse
temprature la fraction oxyde augmente, car une plus grande quantit
dnergie est ncessaire pour maintenir lactivit mtabolique.
Corrlativement, lassimilation est moindre, donc galement la
production de biomasse ou boue secondaire. Comme dautre part la
respiration endogne crot avec la temprature, on comprend quun
minimum de besoin en O2 soit parfois observ (p. ex. vers 25 C pour
la biodgradation dune eau de Sambre, EDELINE, 1974). Les
microorganismes anarobies ragissent galement la temprature. Leur
vitesse de dissimilation du carbone (cest--dire de production de
CH4) est affecte dun coefficient de temprature que lon peut
empiriquement dfinir, en zone msophile et de 0 45 C, par f (t) =
100,0308t 0,776 . 103 . 100,0974t (1.15) (f (t) = 1 pour t = 0 C).
La fig. 1.5 montre que ces courbes passent par un max., et tombent
ensuite trs rapidement zro (F. PPEL, 1967).
CHAPITRE 2
Mtabolisme des dcomposeurs
Les htrotrophes constituent un groupe extrmement important de
microorganismes, au moins du point de vue de lpuration biologique.
Il est donc intressant de fournir quelques dtails sur ce qui se
passe entre le moment o le donneur dlectrons pntre dans la cellule,
et le moment o les quivalents rducteurs en sortent pour ragir avec
laccepteur final. Nous choisirons le cas le plus complexe, celui o
cet accepteur est loxygne, cest--dire le cas du mtabolisme arobie.
La nutrition des micro-organismes peut se dcomposer en cinq phases
: 1. Transport des aliments depuis le liquide jusqu la surface de
la bactrie. 2. Adsorption des aliments sur la membrane cellulaire
(pour les organismes incapables de se mouvoir pour prendre leur
nourriture). 3. Prdigestion par des exoenzymes ou des enzymes de
surface, pour rduire les dimensions des molcules. 4. Permation ou
franchissement de la membrane cellulaire. 5. Mtabolisation avec ses
deux aspects : n anabolisme ; n catabolisme (et respiration
endogne).
Fig. 1.5 Effet de la temprature sur lactivit enzymatique des
bactries arobies et anarobies (daprs PPEL). Daprs des essais
systmatiques (MUCK et GRADY, 1974), la temprature agit aussi sur le
taux de croissance , le coefficient dentretien b et la constante de
saturation Ks. Pour les deux premiers, la loi dArrhenius est
observe avec des nergies dactivation de 12,5 et 13,9 kcal/mol
respectivement. K s reprsentant laffinit des enzymes pour leurs
substrats, on sattend le voir diminuer lorsque T augmente (cf.
1.4). Les rsultats exprimentaux ne sont cependant pas clairs cet
gard. 26
Fig. 2.1 Schma de principe de la nutrition bactrienne (daprs
MORRIS et STUMM). 27
METABOLISME DES DECOMPOSEURS
1. TransportLinterface normale dune boue active est de lordre de
1 500 m2/m3. Le rapport surface-poids dune bactrie est 400 000 fois
suprieur celui dun homme. Pour une solution 100 mg/l de glucose (
4.107 M/ml), en admettant un diamtre molculaire de 10 et un
coefficient de diffusion D = 105 cm2. s1, chaque point de la
membrane cellulaire est heurt par une molcule 20 fois par seconde.
La turbulence acclre encore ce mcanisme diffusif. On peut donc
admettre que cette phase ne saurait tre limitante quaux
concentrations extrmement faibles.
4. Permation ou pntration dans la celluleDes exoenzymes
hydrolytiques dcomposent les grands polymres P (cellulase,
chitinase, amylase) sans librer dnergie pour la cellule. Dans
certains cas les oligopolymnes O sont dgrads en monomres M par
dautres hydrolases qui sont dans ou sur la membrane cellulaire, et
non diffuses au dehors. La dpolymrisation ne doit pas toujours tre
totale, et par exemple des peptides peuvent traverser la membrane
comme tels, les peptidases tant intracellulaires. P exo hydrolases
O hydrolases de surface M pntration et mtabolisme (endo-enzymes)
CO2 H2O On a labor une thorie de la diffusion facilite par des
enzymes (permases) qui sont des porteurs mobiles acclrant le
passage du solut travers la membrane. Les molcules non ionises
paraissent franchir plus facilement les membranes. En tout cas si
la vitesse dabsorption dun substrat est une fonction de sa
concentration, cest une fonction saturable. La cellule est entoure
dune membrane (CAPALDI, 1974), de mme que certaines parties comme
le noyau, les mitochondries, les microsomes, les chloroplastes LATP
est fabriqu dans la membrane des mitochondries, ce qui confirme le
rle important des membranes. Toutes les membranes sont constitues
dun double feuillet de lipides : un phospholipide avec groupe
glycrol forme une extrmit polaire, estrifie avec des acides gras
longs dont la pointe est hydrophobe. Toutes ces chanes sont diriges
vers lintrieur, et sont plus ou moins mobiles latralement.
Lpaisseur du feuillet est de 45 , et lensemble des membranes
reprsente environ 50 % du poids cellulaire. De place en place, du
cholestrol assouplit la membrane. Il existe galement des enzymes
plus ou moins immergs dans cette double couche. Par exemple, le
cytochrome-oxydase, dernier maillon de la chane de transfert des
lectrons dans la syntse de lATP, se trouve immerg dans la membrane
mitochondrique. Le mcanisme est complexe, et on a le choix entre un
passage par solution travers le lipide, ou travers des pores (dont
le diamtre efficace serait alors empiriquement 3,5 ). La diffusion
est un des mcanismes probables, mais le transport est sans doute
partiellement actif, parce quil seffectue contre un gradient de
potentiel lectrochimique, qui tendrait faire circuler les molcules
dans lautre sens. Na+ et K+ semblent galement lis la permabilit des
membranes biologiques. La toxicit du phnol consisterait en une
modification de cette permabilit. Par ailleurs le dinitroph29
2. AdsorptionSil y a des forces attractives, la captation ne se
fera pas seulement grce aux chocs diffusifs. Ladsorption est une
phase physicochimique, gnralement suppose beaucoup plus rapide que
les phases biochimiques. Elle est videmment plus lente dans les
groupes de cellules agglomres. On estime quelle est complte en 20
minutes, et ce fait sert de base au procd contact-stabilisation, o
ladsorption est ralise dans un racteur spcial (v. p. 165). On a mme
t jusqu ramener toute lpuration une cintique dadsorption (SCHULZE),
mais cet avis nest pas partag par tous (KRISHNAN et GAUDY, 1966).
Le phnomne tant rapide, on peut le considrer comme tant toujours
lquilibre. On na en tout cas jamais pu montrer une accumulation de
substrat soluble la surface des cellules. En analysant des courbes
de respiration bactrienne au moment de la cessation brusque de
lalimentation en substrat, EKAMA et MARAIS (1978) ont montr que 7 8
% de lnergie disponible du substrat tait dpens pour la phase
dadsorption. On le voit, il sagit nouveau dune mesure
indirecte.
3. PrdigestionCette phase ncessite trs peu dnergie de la part de
la bactrie et ne fait pas diminuer la DBO. La prdigestion est
effectue par des exoenzymes, moins fragiles que la bactrie, mais
ayant un optimum assez net de T et de pH. La prdigestion est
gnralement une hydrolyse : n liqufaction des graisses (estrases) ;
n des amidons (carbohydrases) ; n des protines (protases).
Finalement linsoluble devient soluble, et la dimension des molcules
diminue : cette phase ne concerne donc que les particules, les
collodes, et les grosses molcules. 28
METABOLISME DES DECOMPOSEURS
nol est toxique parce quil inhibe la production dATP et de ce
fait bloque la pompe Na qui, en expulsant Na, ractive le transport
du substrat vers lintrieur. La pntration des substances lipophiles
(Kow* lev) se fait travers la couche lipidique, et celle des autres
travers les pores hydrophiles de la membrane. Les bactries peuvent
concentrer des sels (p. ex. K+) jusqu 1000 fois par rapport au
milieu extrieur. Elles manifestent une grande rsistance la
concentration saline externe : la concentration maximum de NaCl
nentravant pas la croissance varie selon les espces de 50 plus de
240 g/l. En rsum on aurait les trois possibilits suivantes (EAWAG,
1987) : 1. si la molcule nest pas charge lectriquement, elle peut
pntrer par diffusion ; 2. si la molcule est charge elle ne peut
pntrer que par lentremise de permases ; 3. si la molcule est
lipophile, elle passera travers la couche grasse de la membrane
cellulaire.
5.2. Catabolisme, dissimilation ou respirationCest la combustion
immdiate ou diffre des substrats, pour librer leur nergie libre,
cette nergie tant ncessaire pour assurer les oprations suivantes :
n synthses chimiques (monomres et polymres) ; i.e. entretien et
anabolisme ; n travail mcanique et transport de substances en sens
opposs aux gradients ; i.e. permation ; n travail lectrique ; n
(chaleur) ; n travail osmotique ; n (mission de rayonnement). Elle
est libre peu peu par des transferts dH2 ou dlectrons, et
correspond notamment la rcupration de lnergie libre (G) des
composants du substrat, grce une srie doxydo-rductions couples.
Finalement on aboutit : C CO2 H H2O N NH4+ Lnergie est stocke dans
des molcules dADP et surtout dATP (adnosine di- et tri- phosphate),
dont une molcule peut tre synthtise chaque fois quune des
oxydations partielles de substrat libre au moins environ 7 000
cal/mol. La fig. 2.3 montre comment est organis le pool cellulaire
dATP. Ltat de ce pool dans une cellule vivante et en croissance
normale sexprimera par : [ATP] + 0,5 [ADP] < 0,95 [ATP] + [ADP]
+ [AMP] (AMP dsigne le monophosphate, non porteur dnergie). Un
ajout de phosphate une boue active carence a un effet immdiat sur
sa respiration (v. fig. 2.2) 0,80 ortho > mta ; n pour les drivs
chlors aliphatiques, lordre de dgradabilit est > > > . Les
polluants rfractaires rsiduels trouvs en rivire (Rhin) sont pour
les 2/3 des acides aromatiques polyhydroxycarboxyliques dun PM
moyen de 200.
6. La biodgradation de divers substratsLa cellule bactrienne
utilise pour purer une solution ou une suspension de polluants doit
dgrader une trs grande varit de composants. Toute cellule a un
quipement de base lui permettant de dgrader directement certains
substrats, comme le glucose. Dautres substrats, comme le phnol, ne
sont pas dgrads avec la mme facilit par toutes les cellules. Il est
hors de question dexaminer un un tous ces substrats, mais il est
utile de fournir un schma (voir fig. 2.3) des principaux montages
mtaboliques. Toute substance faisant partie dune de ces filires ou
cycles peut servir de substrat, entrer dans la cellule et
intervenir la place qui lui est assigne. Cest ainsi que pourraient
intervenir :
* On parle gnralement de PHB, mais il apparat maintenant quil
sagit dun mlange de PHB et de PHA, poly--hydroxyalkanoates (WALLEN
et ROHWEDDER, 1974), notamment le valrate. 36
Fig. 2.4 Les grands mcanismes mtaboliques. 37
Tableau 2.I Biodgradabilit de diffrentes structures
chimiques.
Biodgradabilit
Toxicit
Hydrocarbures Alcanes faible + Olfines > C7 difficile
Chloro-olfines nulle Sucres holosides et polyfacile ligno cellulose
acides ligno sulfoniques difficile Alcools primaires et secondaires
facile tertiaires difficile Acides mono et dicarboxyliques facile
dimthyl substitus difficile Phnols ordinaires facile + substitus
(chloro, nitro, ) nulle + polyphnols condenss nulle Aldhydes bonne
Amino acides bonne (*) (*) Cystine et Tyrosine sont moins
dgradables. Inspir de B. VUILLERMET (1976).
38
CHAPITRE 3
Enzymologie
Selon la formulation frappante de LEHNINGER (1975), la vie est
une proprit exhibe par une runion de molcules sans vie. La
dimension de la cellule vivante quels que soient les organismes
quelle constitue ou dans lesquels elle est incluse, est
remarquablement stable. Cest en effet la seule possible entre deux
tailles extrmes : n le minimum du volume ncessaire pour loger
environ 10 000 enzymes ; n le volume maximum permettant dviter des
problmes de transport dans la cellule.
1. Nature des enzymes (synonymes : ferments, diastases)Ce sont
des catalyseurs organiques, poids molculaire lev (13 000 840 000).
Si la thorie 1 gne 1 enzyme est exacte, il y en a de 1 000 10 000
diffrents dans une seule cellule. Les enzymes sont des protines (du
type albumine) couples un facteur dissociable dont la disparition
rend souvent le tout inactif. Dans cet ensemble, la protine est le
porteur collodal spcifique , elle est thermolabile, alors que le
facteur dissociable est thermostable. Tout agent qui dnature la
protine dnature aussi lenzyme. Le facteur dissociable peut tre de
trois types diffrents : n coenzyme : compos organique non protique
et facilement dtachable. (ex : le NAD ou nicotinamide adnosine
dinuclotide, le FAD ou flavine-adnine dinuclotide, etc.). Les
coenzymes sont souvent chimiquement trs proches des vitamines. n
groupe prosthtique : groupe plus solidement li la protine. (ex. :
lhme des cytochromes, la biotine, etc.). n activateur : petit ion
gnralement mtallique, di ou trivalent, p. ex. : Fe, Zn, Cu Ceci
laisse prvoir le rle de Fe, Zn, Cu Co, Mo, Mg, Mn, Ca et K comme
oligolments. On a donc : Co-enzyme Apo enzyme + Groupe prosthtique
= Holoenzyme Activateur On peut classer les enzymes en exoenzymes
et endoenzymes, selon quils sont mis dans le milieu extrieur, ou au
contraire nexistent qu lintrieur des cellules. On distingue aussi
des enzymes constitutifs et des enzymes adaptatifs, selon quils
font
[
]
39
ENZYMOLOGIE
ou non partie de lquipement de base des cellules. Dans leur
classification, leur nom rfre (1) la raction catalyse et (2) au
substrat : ex. dshydrognase malique. On a les deux grands groupes
suivants : n Hydrolases : de la liaison C O estrases (esters)
carbohydrases (glucides) de la liaison C N amidases protases n
Desmolases : Oxydases Carboxylases Dshydrognases Isomrases Mutases
Hydrases Transfrases Rductases Exemples : De nombreuses chanes de
ractions, comme la dissimilation des sucres, sont des transferts
dH2 de proche en proche par le systme NAD+ NADH (fig. 3.1, coenzyme
prfr des anaro-dshydrognases). Lorsque le passage final de H2 O2
(accepteur terminal) est direct, il y a intervention dune
aro-dshydrognase (la flavo-protine, jaune), qui produit H2O2.
Toxique, cet H2O2 doit tre dcompos par une catalase en H2O + O.
Normalement la flavoprotine transfre les lectrons de lhydrogne un
nouveau systme enzymatique : celui des cytochromes, prsent
seulement dans les organismes arobies. donneur dhydrogne accepteur
dhydrogne
2. Mode dactionLenzyme acclre la raction pour laquelle il est
spcifique, diminue son nergie dactivation (barrire dnergie), mais
ne dplace pas son quilibre final. Par exemple pour dcomposer leau
oxygne il faut environ : E dactivation 18 000 cal/mol sans
catalyseur avec catalyseur minral (Pt) 12 000 cal/mol avec enzyme
(catalase) 2 000 cal/mol Laction dun enzyme est toujours rversible.
Elle sexplique en considrant que lnergie brutale mais gaspille en
tous sens ncessaire pour amorcer une raction sans catalyseur est
remplace par une nergie moindre accompagne dinformation (c..d. dune
mise en ordre, dune nguentropie : les ractions enzymatiques ont un
S ngatif). Cette information consiste en une forme strique portant
des groupes actifs disposs correctement pour saisir le substrat et
mettre en place exacte deux groupes, donneur et receveur,
dlectrons. Ces deux groupes sont ncessaires pour lquilibre
lectrostatique. En supplment, cette information garantit la
spcificit des enzymes et la rection du mtabolisme. La spcificit des
enzymes est variable, et peut tre extrme. On distingue : n
spcificit par rapport une classe de ractions (ex. hydrolyse de
nimporte quelle protine) ; n spcificit par rapport une raction
dtermine (ex. oxydation de lac. lactique en pyruvique) ; n
spcificit optique (ex. portant sur un isomre optique l). La rection
du mtabolisme en dcoule, car cest par exemple toujours de lac.
pyruvique qui est form partir dacide lactique par la dshydrognase
lactique, et jamais une autre substance. Les enzymes E forment avec
leur substrat S un complexe ES, lattaquent, puis librent le produit
P : k1 k3 E+S ES E + P (3.1) k2 (k1, k2, k3, sont des constantes de
vitesse, et non des constantes dquilibre). E sunit S en trois
points au moins, aprs quoi deux fonctions de lenzyme agissent :
lune fournit un lectron et lautre en accepte un en un autre
endroit, ce qui dclenche la raction S P. Cette thorie dune attaque
bifonctionnelle rend compte de la supriorit des enzymes sur les
catalyseurs monofonctionnels. Actifs dans une fourchette de 2 3
units pH, ils sont nettement acclrs par la temprature jusqu 50 C.
Toutes les oxydo-rductions cellulaires, accompagnes de transfert
dnergie (par transfert progressif dhydrogne ou dlectrons), peuvent
tre caractrises par un rH, un G ou un E selon la formule vue plus
haut : 41
CH3 CHOH COOH NAD+ (ac. lactique) 2H CH3 CO COOH (ac. pyruvique)
NADH + H+ Action de la dshydrognase lactique, exemple de cession de
2 H un accepteur intermdiaire cyclique. O RC O
+ H2O RC + HO CH2 R O CH2 R OH Action dune lipase, type destrase
abondant et important pour la liqufaction des graisses. O RC O
+ H2O RC + H2N R NH R OH Action dune protase dans la destruction
de la liaison peptidique.
Fig. 3.1 Mode daction de quelques enzymes. 40
ENZYMOLOGIE
G 23 n E 1400 rH (cal/mol (mV) (s.d.)
3. Adaptation enzymatiqueLadaptation physiologique, non gntique,
a t bien tudie, notamment par Monod sur E. coli. La synthse dun
enzyme adaptatif na lieu que si le substrat normal vient manquer.
Elle est inhibe lorsque le substrat normal rapparat. On observe
ainsi un phnomne de diauxie, c..d. lutilisation successive des
substrats. Par exemple chez E. coli (dont le substrat normal est le
glucose) cultiv sur glucose + xylose, on observe (v. fig. 3.2)
:
Tableau 3.IMilieux naturels Systmes chimiques H+ H2 ( 420)
Intrieur du rumen -hydroxybutyrate S / SH2 Systmes enzymatiques rH
0 F420 ( 373) NAD+/NADH + H+ ( 324) Dshydrognases 300 ADP / ATP
FAD+/FADH + H+ ( 220) Opt. de Clostridium Boue en digestion
Pyruvate / lactate 10 TTC / TF ( 80) Facultatifs Bleu de mthylne
(11) S2O3 S Coenzyme Q (0) 15 Cytochrome b (60) 100 20 200 Milieux
arobies Quinhydrone Cytochrome c1 (220) Cytochrome c (254)
Cytochrome a3 (290) 300 25 0 100 200 5 400 EohmV
Milieux anarobies Boue bien digre
nombre de germes
adaptation utilisation du xylose (enz. adaptatifs)
Boue frache
utilisation du glucose (enz. constitutifs) la prsence de glucose
rprime l'enzyme du xylose
temps
Fig. 3.2 Diauxie.400
Eau naturelle bien oxygne
NO3 / NO2 (400) NH4+ / NO2 (440) S2O3 / S
30 Bactriochlorophylle 35 600 500
700 O2 OH (820) NO3 N2 (840) Les limites sont celles du milieu
aqueux. Cl : SH2 = substrat S = substrat oxyd ; ADP et ATP =
adnosine diphosphate et triphosphate ; FAD = flavine adnine
dinuclotide ; FADH = idem, forme rduite ; 40 800
NAD = nicotinamide dinuclotide, forme oxyde ; NADH2 = idem,
forme rduite ; TTC = chlorure de triphnylttrazolium (indicateur
rdox, forme incolore) ; TF = triphnyl formazan (idem, forme colore
en rouge) ;
Fig. 3.3 Effet de la diauxie sur la respiration (Document FUL).
42 43
ENZYMOLOGIE
Les populations microbiennes mises en uvre en puration
biologique, par exemple les boues actives sont extrmement
versatiles pourvu quon leur donne un temps dadaptation suffisant.
Celui-ci peut aller de quelques jours 6 semaines (DEN BLANKEN,
1985). La dsadaptation intervient galement, lorsque la stimulation
a cess. Les facteurs qui affectent la dure du dlai dadaptation
(parfois qualifi de phase de latence) sont multiples : n le temps
requis pour la synthse des nouveaux enzymes ; n le temps ncessaire
pour une mutation ou pour un change gntique ; n la diauxie ou la
polyauxie ; n les glissements de population ; n le comtabolisme.
Ladaptation gntique naturelle est relativement lente, et se fait
raison dun mutant toutes les 107 divisions cellulaires. Elle peut
tre acclre par irradiation. Les possibilits de ladaptation
bactrienne sont cependant limites, et on reformulera ainsi le
principe de G ALE : Tout produit dorigine biologique est
biodgradable . Pour les produits chimiques de synthse, ladaptation
nest pas toujours possible, et le mythe de linfaillibilit
microbienne doit tre abandonn. Ladaptation enzymatique est un
phnomne trs important en puration biologique, notamment dans les
cas suivants : 1. Adaptation dune biomasse des eaux uses
synthtiques. Par exemple on a observ des boues actives dont le
rendement sur DCO passait de 44 % 94 % en 7 jours dadaptation sur
des eaux dune industrie pharmaceutique. Dautres exemples sont, dans
le traitement des eaux uses de cokerie, la possiblilit dune
adaptation progressive des doses leves de NH4+ et de SCN. 2. Une
erreur de base est commise dans les tests de dgradabilit o la
substance tudie est la seule source de carbone ; ceci provoque
ladaptation, laquelle ninterviendrait pas au sein dun substrat
complexe normal. De mme le phnol des eaux de cokeries peut tre
compltement dgrad si lon traite ces eaux isolment, alors que la
dgradation est trs incomplte si on les traite en mlange avec une
eau urbaine. 3. Latence de certaines courbes de DBO : cest un dlai
dadaptation. 4. Disparition des enzymes adaptatifs dans certains
procds dpuration o la biomasse subit une stabilisation prolonge en
labsence de substrat. Cest le cas en particulier du procd
contact-stabilisation, o la phase de stabilisation ne doit pas
excder environ 7,5 h (v. chap. 6). La reconnaissance du caractre
enzymatique des transformations mtaboliques a entran la vente de
diverses prparations enzymatiques ou biocatalytiques destines
rendre possible ou amliorer lpuration biologique. La dgradation dun
simple sucre implique une centaine denzymes diffrents, parmi
lesquels il en est un qui limite la vitesse de raction. Il est donc
pratiquement impossible de prvoir si laddition dune prparation
enzymatique permettra de remdier prcisment ce manque. 44
Ces prparations, tant donn leur cot, ne peuvent tre des enzymes
purs (YOUNG, 1976). Ce sont soit des bactries sches, des
sous-produits de fermentations, ou un mlange des deux. Pour quelles
soient efficaces dans un cas donn, il faut quelles rsultent dune
adaptation au substrat qui justement fait problme, et on voit mal
comment une prparation pourrait sur ce point tre suprieure la
biomasse de la station, qui est en contact permanent avec ce
substrat. Et si le bloquage mtabolique rsulte p. ex. dun pH
inadquat, ce nest pas lenzyme qui y remdiera. Le cas de bactries
vivantes pradaptes semble diffrent, car il permettrait dacclrer le
dmarrage dune station. BREBION (laboratoire de lIRCHA, en France) a
ainsi prpar des pieds de cuve pour des purations particulires, mais
a constat que par la suite la biomasse, non isole du milieu
extrieur, se rediversifiait. Il existe au moins un cas dmontr
defficacit dune addition de corps chimique : celle de lacide p.
aminobenzoque (COOPER et CATCHPOLE, 1973) pour favoriser la
biodgradation des eaux de cokeries. De nombreux rsultats allgus
sont douteux, et le seul domaine o un succs raisonnable semble avr
est celui des lipases ajoutes (aussi directement que possible) aux
graisses accumules dans les digesteurs, les fosses septiques, ou
les sparateurs de graisses. Sur le march aujourdhui : le DOSFOLAT
(acide folique stabilis, jouant le rle dune vitamine).
4. Cintique enzymatiqueMICHAELIS et MENTEN ont admis que k3 est
>> k2 dans lq. 1, et que cette seconde raction , la plus
lente, est irrversible. En examinant la premire raction, ils ont
tablis que : ^ v= v S = f (S) Ks + S (3.2)
o : v est la vitesse de raction ; ^ v est la vitesse max.,
lorsque S est trs lev ; S = concentration du substrat non li E
(pratiquement S total car [E] est toujours faible) ; E =
concentration de lenzyme ; Ks = constante de MICHAELIS ou de
saturation (elle a les dimensions dune concentration). 45
ENZYMOLOGIE
Ks = ([e] [ES]) [S] = [e] [S] [S] [ES] [ES] [e] [S] [ES] = Ks +
[S] La raction intressante est la seconde, qui fait apparatre les
produits P et dont la vitesse vaut v = k3 [ES] = k3 [e] [S] Ks +
[S] Lorsque S >> e, tout lenzyme est engag dans le complexe
ES, do [e] [ES], et la vitesse est maximum ^ = k3[e], car seul le
complexe ES est ractionnel. v Fig. 3.4 Equation de
MICHAELIS-MENTEN. v = f(S) est une hyperbole, elle exprime que v,
en prsence dune quantit donne dE, commence par augmenter rapidement
lorsquon augmente S, puis devient finalement indpendante de S par
un effet de saturation. Indpendamment de leffet de (S), lactivit
enzymatique est toujours plus leve dans les cellules jeunes, qui
sont aussi plus grosses. Drivation de lquation de MICHAELIS-MENTEN.
k1 k3 ES E + P E+S (3.3) k2 k1, k2, k3 = constantes de vitesse.
Appliquons la loi daction de masse : va = k1 . [E].[S] vitesse
dapparition du complexe ES vitesse de disparition du complexe ES vd
= k2[ES] + k3[ES] = (k2 + k3) [ES] (note : la deuxime raction est
considre comme pratiquement irrversible). lquilibre : va = vd, et
on a k1 [E][S] = (k2 + k3) [ES] do [E] [S] = k2 + k3 = K ,
constante de MICHAELIS (3.4) s [ES] k1 comme k2 90 53 93,3
Les supports en matire plastique utiliss en vrac ont permis
dliminer de nombreux dfauts des remplissages traditionnels,
commencer par leur poids lev et leur porosit rduite. Par un dessin
judicieux, des ouvertures latrales, une construction asymtrique, on
a pu rduire fortement les zones inaccessibles au ruissellement.
Certains lments modulaires prsentent mme des canaux obliques dans
toutes les directions, de faon promouvoir la redistribution latrale
de lcoulement (Plasdek). Pour des eaux ne contenant pas de matires
en suspension, on propose aujourdhui divers supports vermiculs,
petits cylindres de la dimension dune pierre briquet, et prsentant
des surfaces spcifiques normes (p.ex. 4000 m2/m3) Certains dentre
eux sont dops , c..d. censs contenir des oligolements favorables la
sant du biofilm. Les marques sont Biogrog, Biolite, Biofor, Les
tours en matriaux granuls de section ronde, ont des hauteurs
limites 2-3 m, cause des pressions latrales. Les lits bactriens
disposs dans le sol, pratique frquente en Grande Bretagne, peuvent
avoir des profondeurs suprieures.
SUPPORTS SYNTHTIQUES
Aero-block Ewall-porit Ing. E. Walloschke Filterpack (Mass
Transfer Ltd) 1120 M CR Flocor RC (SGN) Flocor E (SGN) Bionet (NSW)
Hexacell (Hongrie)
50 38 46
95 220 230 92 100 100-220
96 95 95 97 95 > 90
Plasdek (Munters) Etapak (Filtermat) Etapak 210 Etapak 120 Hufo
200 (Biotys) Hufo 120 Hufo 90 Biosol 120 (Biotys)
30
100
95
60 40 42 43 44
220 120 200 120 90 120
96 95 98 97 96 95
Fig. 5.19 Chenal crant. Augets basculeurs remplissage et vidange
alterns. Eclabousseurs, ajutages avec plaques passives. Rampe
daspersion monte sur chane sans fin. 111
110
REACTEURS AEROBIES A BIOMASSE FIXEE (lits bactriens)
Les tours plastiques ont frquemment 10 ou 12 m de haut, et leur
section est plus souvent carre ou rectangulaire. Les biodisques ont
t lorigine fabriqus en polystyrne expans de haute densit, renforcs
par de petites entretoises. Le matriau flotte sur leau, ce qui
diminue les frottements aux paliers et rduit la dpense dnergie. On
fabrique aussi des biodisques en feuilles de PVC ou daluminium,
dont le volume mort et la fragilit sont moindres.
3.3. Distributeurs1 3 2
4
7 8 9 10 6 11
5 12
Fig. 5.21 Etaleur de jet. Document Noyes Data Corporation, Park
Ridge. Lengorgement des lits bactriens est parfois li au mode de
distribution. Il semble facilit par une aspersion fine, et au
contraire limin lorsque leau est distribue en gros jets, mme si
ceux-ci nirriguent pas la totalit de la surface. De mme, les
Sprinklers raction tournent souvent trop vite, et il y a intrt
rduire leur rotation un passage de bras toutes les 5 10 minutes
(grce des freins) pour rduire encore le risque dengorgement (WPRL,
1959). De toute manire le biofilm est spongieux, et il a la proprit
daspirer du liquide par capillarit, mme dans une zone non
directement irrigue. Sur les lits bactriens remplissage plastique,
la charge hydraulique assurer est plus leve que sur les lits
traditionnels, et atteint 1 2 m3/m2.h (PORTER). Pour un remplissage
en vrac le taux dirrigation minimum est de 0,75 m3/m2.h, pour les
modules feuilles ondules il est de 1,5 m3/m2.h. Les distributeurs
tournants du type Sprinkler (fig. 5.20) sont actionns par la
raction de leau dans des tuyres obliques (fig. 5.21), ou par de
petites turbines eau disposes au bout des bras. Ces appareils
exigent une hauteur deau motrice de 50 80 cm, accumule dans la
chemine centrale. En cas dafflux deau continu, une telle hauteur
risque de ne pas tre atteinte en priode de faible dbit, et les
distributeurs sarrtent. On emploie alors des systmes de siphons
auto-amorants disposs dans un rservoir en charge, et qui se vident
rapidement ds que le rservoir est plein. Un afflux continu et
irrgulier est ainsi transform en vidanges discontinues 113
13
20 21
19
17
14 15
18
16
Fig. 5.20 Distributeurs rotatifs GARD pour lits bactriens. 1.
Hauban (galvanis). 2. Ridoir (galvanis). 3. Verrouillage goupilles.
4. Colonne centrale. 5. Bouclier de dbordement. 6. Chemine
centrale. 7. Gicleur-racteur. 8. Etaleur. 9. Collier. 10. Tube
daluminium. 11. Assemblage des gicleurs aux bras. 112 12. Boulons
inox. 13. Bras conus pour une vitesse max. de 1,2 m/s. 14.
Roulement principal. 15. 2,3,4, ou 6 bras selon dbit. 16.
Pierrailles. 17. Mise niveau. 18. Pilier de bton. 19. Plaque de
base. 20. Capuchons graisseurs. 21. Joint en noprne.
REACTEURS AEROBIES A BIOMASSE FIXEE (lits bactriens)
Fig. 5.22 Siphon autoamorant.1. Bassin en bton. 2. Cloche
mtallique ouverte en dessous. 3. et 4. Tubes de petit diamtre. 5.
Tube central vers le distributeur. Au dbut leau est au niveau A et
B1, ainsi que C1 dans le tube 4 (rgulateur de pression). Lors du
remplissage, leau atteint le tube 3 et monte dedans, isolant la
cloche. Lair sous la cloche est comprim : le niveau B1 baisse B2 et
C1 monte C2 (il ne peut monter plus haut cause du trop-plein). A ce
moment le siphon samorce et alimente le sprinkler, car la pression
dans la cloche est telle que tout son air est brusquement relach
latmosphre par le tube 4.
Fig. 5.23 Distributeur longitudinal.
au cours desquelles la charge ncessaire est toujours disponible.
Un tel dispositif est reprsent la fig. 5.22. Il faut essayer de
rgler les siphons doseurs de telle faon quils provoquent des
interruptions < 5 mn. Si ces arrts dpassent 10 mn (WOLF, 1980),
on risque dencourager les mouches. Certains distributeurs ont une
paire de bras aliments directement depuis la chemine centrale, et
une seconde alimente grce un petit seuil, seulement lorsque lafflux
est important et fait monter le niveau dans la chemine centrale.
Les points dlicats des aspergeurs sont le joint de rotation (qui
sera de prfrence hydraulique), lquilibre du haubanage, et les
orifices verseurs qui se bouchent frquemment. Ces dispositifs sont
par ailleurs sensibles au gel. Pour de trs grands lits bactriens,
on peut avoir intrt construire des lits rectangulaires qui seront
irrigus par des distributeurs longitudinaux (fig. 5.23) monts sur
rails et puisant dans une rigole amenant leau dgout dcante (un
passage toutes les 10 ou 15 minutes). De grands progrs ont t raliss
dans les systmes de distribution. Les jets sont gnralement tals par
des triers capillaires, par des cuillers, ou par des clapets
oscillants tels celui de la fig. 5.21. Comme les tuyres se bouchent
rgulirement, on 114
Fig. 5.24 Entranement par turbine et chane. a pens pourvoir les
clapets dune pointe dirige vers lintrieur, et qui dbouche
automatiquement le conduit chaque fois que le distributeur est au
repos. Le Sprinkler classique, mme avec bras dcouplables, a une
vitesse de rotation difficile rgler finement. On utilise en
Grande-Bretagne un systme turbine compltement diffrent. Chaque bras
est pourvu son extrmit dune petite turbine eau coaxiale par rapport
au bras, et accouple une roue dente. Cette roue dente 115
REACTEURS AEROBIES A BIOMASSE FIXEE (lits bactriens)
engrne sur une chane sans fin (fig. 5.24) pose simplement sur le
garnissage, et provoque la rotation du bras, qui ne doit donc plus
dpendre de la raction des jets. De ce fait ceux-ci sont remplacs
par des rideaux deau obtenus par dbordement sur de petits dversoirs
crnels 12 dents. Pour fonctionner correctement ce systme
saccompagne dun traitement primaire particulirement soign. La
turbine participe videmment la distribution.
3.4. Quelques dispositifs particuliers3.4.1. LA.D.F. ou double
filtration alterneDans ce systme, on utilise deux lits bactriens en
srie et on en change lordre chaque semaine. Il est ncessaire de
sdimenter leau intermdiaire, et le circuit de pompage devient plus
compliqu. Ce systme limine ou rduit le risque dengorgement jusqu
des charges de 0,2 kg/m2.j, et permet gnralement de traiter le
double deau use pour un mme volume de lit. Sa complexit mcanique le
fait toutefois rserver aux grandes et moyennes installations. Il
nitrifie peu ou pas du tout.
drique alimente en eau use. La rotation nexige que 0,25 W/m2
(LOHR, 1967). Il ny a presque pas de perte de hauteur deau. La
rpartition des dures dimmersion et dmersion nest pas la mme au
centre qu la priphrie mais vaut peu prs 50 % + 50 %. La rotation
des disques vise mlanger leau, transfrer de loxygne leau, et
empcher les court-circuits. Pour obtenir un mlange correct, il faut
tourner dautant plus vite que la charge hydraulique est forte. On
ne peut toutefois dpasser une vitesse priphrique de 20 m/min. sous
peine darrachement du film. En pratique, on adopte 13 m/min (soit
2,05 t/m pour les petits disques et 1,37 t/m pour les grands). Les
arrts de rotation sont viter absolument, car le biofilm sche
rapidement et il se cre un fort dsquilibre capable duser ou mme de
griller le moteur lors de la remise en marche. Il est parfois
ncessaire forte charge dacclrer la rotation dun premier tage, afin
damliorer le transfert du polluant au biofilm. Le transfert dO2
pendant lmersion est trs rapide, et la provision dO2 prise est
toujours suffisante pour couvrir les besoins pendant limmersion,
quelle que soit la vitesse. Lalternance immersionmersion dcourage
les mouches. Etant donn le mlange dans lauge, le procd est mlange
complet. A reoit de leau pendant /2 et B reoit de leau pendant /2 3
j et forte charge 0,2 < c < 0,4 j, car les valeurs
intermdiaires donnent des boues mauvaise sdimentabilit. 127
126
REACTEURS AEROBIES A BIOMASSE EN SUSPENSION (boues actives)
Une boue ne formant pas de flocons est dite en croissance
disperse , et si les flocons sont trs petits, on les dit en tte
dpingle (pin-point flocs). Ces deux anomalies provoquent de
nombreuses difficults dans une station dpuration. Certains produits
comme les peroxydes, le Hg, le Cd, le Zn, dfloculent les boues
actives (NEUFELD, 1976). Mme dans une boue normale, il existe une
proportion de cellules isoles, et on estime gnralement que les
cilis pdonculs contribuent liminer par prdation ces cellules isoles
et fournir un effluent particulirement bien clarifi. Comme leur
taux de croissance est sensiblement moindre que celui des bactries,
ils napparatront que lorsque c sera suffisamment lev (voir ci-aprs
1.2.4). Les microbes les plus importants trouvs dans les boues
actives sont les Pseudomonadaces (bactries vraies) ainsi que les
genres Flavobacterium et Alcaligenes (HAMER, 1985).
1.2.2. Le gonflement des boues ou Bulking Fig. 6.1 Vue typique
dun bassin daration. A gauche, un bassin en fonctionnement, droite,
un bassin vide (Doc. IBW). 1.2.2.1. Description Les boues actives
connaissent une maladie assez grave, par laquelle les flocons
prennent des dimensions anormalement leves, une densit trs faible,
et cessent de sdimenter correctement dans le dcanteur secondaire.
Pour un mme poids sec, elles occupent un volume 4 6 fois plus lev
(plus prcisment leur indice volumtrique* passe de 50 200 et plus).
Elles envahissent alors le dcanteur secondaire, sont entranes et
perdues dans leffluent, et la pompe de recyclage, ne pompant plus
quune suspension dilue, ne peut plus maintenir dans linstallation
la biomasse voulue. Cependant lpuration demeure excellente et
leffluent limpide. Lors du bulking apparaissent des bactries en
fourreau telles que le Sphrotilus natans, des fungi tels que le
Geotrichum candidum, des bactries du soufre telle Thiothrix ou des
Actinomyctes comme Nocardia rubra. Une trs abondante littrature
traite de cette question complexe, et est loin de lavoir
compltement lucide. On a trs tt distingu deux sortes de
gonflements, mais quil faudrait si possible expliquer par une
thorie unique : a. Le gonflement zooglal, caus surtout par un excs
de rtention deau (eau lie) dans un floc de Zoogla ramigera : on
peut y trouver jusqu quatre parties deau pour une partie de matire
sche. b. Le gonflement filamenteux, caus par un dveloppement
excessif de Sphrotilus, de Leptomitus, de Geotrichum, etc. Les
causes premires de ces gonflements sont varies et les remdes ne le
sont pas moins. Examinons dabord les principales thories
explicatives avances. * Indice volumtrique ou SVI (Sludge volume
index) : volume (en ml) occup par un g de boues actives (en MV)
aprs sdimentation de 1/2 h dans une prouvette cylindrique de 1
litre. 129
1.2. Biocnose1.2.1. Floculation des boues activesLa proprit
quont les cellules bactriennes de se coller ensemble sous forme
damas floconneux est extrmement importante et cependant mal connue.
Les flocs de boues actives sont 3 6 fois plus solides que les flocs
dalumine (MAGARA et al., 1976). On a invoqu ds le dbut la scrtion
dun liquide floculant , mais ce nest que rcemment que de tels
polymres ont pu tre identifis avec certitude. Beaucoup despces
secrtent des polysaccharides et des polyesters, qui sont des
rserves ternaires externes accumules surtout lorsque le substrat
est abondant mais pauvre en azote et ne permet pas une croissance
gale de tous les composants cellulaires. Zooglaea ramigera a la
proprit de former des polymres particulirement visqueux (jusqu 3 5
% du poids sec). MAGARA, NAMBU et UTOSAWA ont trouv en moyenne 10 %
de polymres extracellulaires et 20 % de PHB (interne). On suggre
galement que le polycation floculant scrt par toutes les bactries
ne serait autre quun acide humique : on sait par ailleurs que ce
produit est un des mtabolites ultimes de lactivit microbienne. On
conoit que dans ces conditions, la boue active doive tre traite
comme nimporte quelle suspension floculable, cest--dire en lagitant
sous un gradient de vitesse G contrl. Sous faible gradient, le
diamtre des flocs est lev mais leur surface spcifique (donc leur
activit) est faible. Il y a donc un gradient optimum mettre en
oeuvre, et qui semble varier de 50 200 s1. Les flocons normaux ont
une dimension de 20 200 et sont trs hydrophiles. Bien que ne
concernant que moins dun % du dbit traiter, le traitement de la
boue secondaire peut coter jusquaux 2/3 des investissements et des
frais de fonctionnement (ECCLES et HORAN, 1985). 128
REACTEURS AEROBIES A BIOMASSE EN SUSPENSION (boues actives)
1.2.2.2. Thories explicatives On dispose actuellement de trois
modles pour expliquer la formation des flocs bactriens et ses
aberrations. a. Phnomnes dattraction la surface bactrienne (F
ORSTER , E RIKSSON et HARDIN) Ce modle part du fait que la surface
des bactries porte une forte charge ngative aux pH neutres, sous
leffet de lacide glucuronique, le composant le plus ionogne de
cette surface. Il en rsulte normalement une rpulsion rciproque des
cellules et une croissance disperse. Mais les cellules produisent
aussi des exopolymres, portant des cations polyvalents qui, en se
liant aux sites - forment des ponts faibles dabord, puis plus
forts, et amnent la floculation. Les organismes filamenteux
agissent eux-mmes comme un macropolymre, mais ils rendent le floc
trop rigide et incompressible pour sdimenter. b. Modle de lossature
filamenteuse (SEZGIN, JENKINS, CHIESA et IRVIN) Dans ce modle, les
filaments forment lossature des bioflocs et les zoogles sattachent
eux par une matrice glatineuse. Le biofloc idal est alors celui qui
contient une proportion quilibre de ces deux catgories dorganismes.
Lexcs de filaments fait dpasser ceux-ci des flocons et provoque le
foisonnement ou bulking, alors que leur absence produit des flocons
trop petits dits en tte dpingle (pin-point flocs). Lexcs de
filaments peut tre d plusieurs causes, et notamment un manque dO2
au centre des flocs. Pour empcher cette dficience il faut au moins
2 mg O2/l dans la liqueur mixte et une rgulation automatique.
Lutilisation dO2 pur amliore aussi la pntration de loxygne dans les
flocs et diminue ce danger, mme en prsence de gros flocs. c. Thorie
intgre (CHIESA, ECCLES et HORAN) Ce modle rassemble toutes les
connaissances peu prs dmontres sur le foisonnement des boues et
considre que trois groupes de bactries sont impliqus. Les trois
groupes se distinguent par leur taux de croissance (), leur affinit
(l/Ks) pour le substrat ou pour loxygne, et leur rsistance la
disette (grce des rserves de PHB). On a le tableau suivant : Groupe
Type ^ Affinit forte pour Rsistance la disette
Fig. 6.2 Les trois groupes de bactries impliques dans la
sdimentation des boues actives. de sorte que le groupe dominant, et
par suite les proprits de sdimentation, vont dpendre de [S] et de
[O2]. La fig. 6.2 montre les courbes de Monod relatives chacun de
ces trois groupes. Dans le groupe , on trouve Zoogla ramigera qui
provoque des boues ramifies spectaculaires mais en fait trs rares.
On y trouve aussi Citrobacter, Flavobacterium breve et surtout
Pseudomonas stutzeri qui est un excellent formateur
dexopolysaccharides (30 % glucose, 20 % galactose, et 10 % ac.
glucuronique). Les constantes de cet organisme sont ^ = 0,13 h1, Ks
(glucose) = 4,4 mg/l et Y = 0,62 mg/mg. Dans le groupe se trouvent
les filamenteux les plus dangereux, dont un grand nombre ont t
rpertoris (v. latlas de EIKELBOOM) : n 1701; 021 N; 0041 et
Microthrix parvicella qui, comme son nom lindique, forme de petits
filaments. Ce dernier a un ^ = 0,07 h1 ; un Ks (glucose) = 2,4 mg/l
et un Y = 0,57 mg/mg. Il ne produit pas dexopolymre floculant, mais
au contraire possde une rserve de PHB qui lui permet de survivre un
sjour prolong dans le dcanteur secondaire. Selon le modle intgr,
lapparition du gonflement des boues rsulte du caractre cyclique de
la vie des bactries dans une installation faible charge et mlange
complet. La cellule bactrienne nat dans larateur o elle sjourne 6
12 h dans un jus faible concentration en C, N et P, et sous tension
dO2 comprise entre 0 et 4 mg/l selon sa position dans le biofloc.
Ensuite, elle entre dans le dcanteur secondai re o le gradient de
vitesse G diminue : si elle a des exopolymres, elle flocule et
sdimente. Pendant 6 h, elle subit un appauvrissement progressif en
S et O2, pendant 131
formeurs de flocs filaments A filaments B
lev lev faible
S O2 S
faible faible forte
130
REACTEURS AEROBIES A BIOMASSE EN SUSPENSION (boues actives)
lequel elle perd son aptitude accumuler le substrat. Seules les
cellules disposant de rserves retrouvent facilement cette aptitude
et repartent en croissance lors de leur retour dans larateur. Ce
facteur exerce une pression de slection en faveur du groupe
filamenteux . Il sensuit que pour lutter court terme contre le
gonflement, il faut diminuer lge des boues c, ce qui donne
lavantage aux formeurs de flocs qui ont un lev, et raccourcit le
sjour dans le dcanteur secondaire, diminuant du mme coup lavantage
du PHB pour le groupe . La lutte long terme passe plutt par le
compartimentage de larateur ou ladoption dun systme gradient de
concentration. De nombreux chercheurs, et en particulier EIKELBOOM
(1981), ont cherch dresser un inventaire des formes filamenteuses
rencontres lors du gonflement des boues actives. On se reportera
cette publication pour les dtails mais le principe de
lidentification au microscope est simple et la porte de toute
personne soigneuse. On utilise des critres morphologiques
(branchement, cloisonnement, prsence dun fourreau, longation,
forme, dimension, ) aids de deux ou trois tests de coloration
simple (Gram, Neisser, granuls de soufre, ). Vingt-deux organismes
ont ainsi t reprs. La souche identifie aidera reprer une cause
probable, vrifier si cette cause est prsente, et y remdier. Voici
quelques lments dinterprtation tels que les prsente HORAN (1990) :
Cause Manque dO2 Charge trop faible Eau septique Dficience en
nutriments pH trop acide Type de filament susceptible dapparatre
1701, Sphrotilus natans, Haliscomenobacter hydrossis Microthrix
parvicella, H. hydrossis, Nocardia, 021 N, 0041, 0675, 0092, 0581,
0961, 0803 Thiothrix, Beggiatoa alba, 021 N Thiothrix, S. natans,
021 N Fungi
Fill and Draw , o le cycle comportait 1 h de charge, 3 h
daration et 1 h de dcantation, ne prsentaient jamais de gonflement.
Les systmes tubulaires non plus, ni ceux qui sen approchent par
lusage dun certain nombre de bassins homognes disposs en cascade.
Il y a donc intert adopter ce type de configuration lorsque cest
possible. Par exemple, on peut simuler un racteur tubulaire par une
alimentation intermittente de 5 min/h. Mais on peut, surtout, avec
CHUDOBA, raliser un bassin prslecteur de petite dimension. Il est
calculer sur 1/20e du volume daration total, ou pour un 1 de 10
min. Idalement, il faudrait que 50 60 % de la DCO y soit fixe, par
adsorption. Il est mme possible de ne pas larer, ce qui permet un
certain taux de dnitrification aux dpens des nitrates de la boue de
retour. On a rapport (HORAN, 1990) des amliorations spectaculaires
dans de petites stations, simplement en recyclant la boue de retour
juste la sortie du dcanteur primaire, dans le chenal qui mne au
bassin daration. Pour une lutte rapide, on recommande gnralement le
chlore, le fer ou les polylectrolytes. Ces derniers sont
pratiquement inemploys en raison de leur cot. Le chlore doit tre
ajout de faon intermittente aux boues de retour, raison de 2 g
Cl/kg B.j. Souvent cependant, il faut porter la dose 8 ou mme 10 g,
et cette technique brutale tue indistinctement les filaments et les
non-filaments. La qualit de leffluent se dgrade, et la
nitrification diminue si la dose dpasse 5 g. Lemploi de Fe+++ ou
dAl+++ raison de 20-50 mg/l est trs favorable. Ces cations
floculent la boue, et aussi maintiennent localement (dans les
flocs) des concentrations leves de P, favorables aux
non-filamenteux. Le procd allemand FERROBION est bas sur une dose
constante de 2,5 5 mg Fe/l. Citons quelques autres remdes : 1.
Certains filaments comme le Sphrotilus poussent mieux que les
bactries normales lorsque le substrat est pauvre en azote et riche
en carbohydrates : on corrigera danc la dficience par une addition
de sel azot, un recyclage de boue digre, lincorporation deau dgout
urbaine, dure, 2. En conditions dficientes en N, Z. ramigera met en
rserve le carbone du substrat, sous forme dune pellicule
extracellulaire. La charge ngative augmente. On provoque la synhrse
(rejet de leau lie) par des additions de chlore massives (90 mg/l)
: effet immdiat mais temporaire. 3. Des Actinomyctes filamenteux
apparaissent en cas de dficience en Fe. Ils disparaissent lorsque
[Fe] est porte 2 mg/l et plus (cas rare). 4. A une charge > 500
g DBO5/kg MS.j, toutes les boues actives risquent de gonfler.
Toutefois les racteurs mlange complet sont plus vulnrables que les
racteurs tubulaires ou discontinus : on attribue ceci la prsence
simultane de tous les tats de mtabolisme. Un racteur qui spare
nettement les phases de respiration endogne est moins sujet au
gonflement. De mme, on remdie au gonflement filamenteux aussi bien
quau gonflement zooglal par une aration de quelques jours sans
alimentation (longue priode endogne). 5. Pour lutter contre
Thiothrix, par exemple dans les fabriques de choucroute, il suffit
de chlorer ou darer leau avant puration biologique, pour oxyder les
sulfures (par exemple 5-10 mg/l chlore sur la boue de retour ou sur
leau brute). 133
Quelques dtails supplmentaires sur les remdes sont fournis la
section suivante.
1.2.2.3. Remdes Si les causes premires du gonflement sont
nombreuses, les remdes ne le sont pas moins. Certains permettent
une intervention rapide et court terme, alors que dautres cherchent
liminer durablement la cause. Il apparat quenviron la moiti des
installations des boues actives prsentent un gonflement de boues
soit permanent, soit par pisodes. Selon GRAU et CHUDOBA,
HOUTMEYERS, VAN DEN EYNDE, VERACHTERT (1982), la configuration des
racteurs est capitale. Les anciens systmes semi-continus dits
132
REACTEURS AEROBIES A BIOMASSE EN SUSPENSION (boues actives)
6. Deux organismes filamenteux ont t associs sans quivoque un
manque dO2. Ce sont le 1701, qui indique un grave manque dO2, et
Sphrotilus natans qui tmoigne dun lger manque (HORAN, 1990). Il
faut maintenir au moins 1 mg O2/l pour une station normale, et 2 mg
O2/l pour une station qui nitrifie.
1.2.3. Boues flottantesDans les dcanteurs secondaires, on
observe parfois des boues flottantes causes par la dnitrification.
Ce cas est examin ailleurs. Par contre, il peut se produire un cas
particulier de boue flottante dans larateur, accompagnant un
gonflement filamenteux par Nocardia amar. Cet organisme a une paroi
trs hydrophobe, et se fixe sur les microbulles dair, (70 de
diamtre), formant ainsi des cumes ds que sa population atteint 103
106 par mg MSV. Il faut galement que c soit suprieur 3 j., car son
vaut 1,2 j1. En outre, il a un optimum de pH trs marqu entre 6,5 et
8,5, de sorte que ce phnomne ne se produit pas dans les racteurs o
la nitrification maintient le pH des valeurs franchement acides. On
peut sen dbarrasser en vitant de recycler les dites cumes (HIRAOKA
et TSUMURA, 1984). On a galement remarqu (LECHEVALIER, 1975) que le
surnageant de digesteurs contient une substance puissamment
nocardiotoxique, mme aprs dilution au millime. Le recyclage dun tel
surnageant prvient gnralement lapparition de Nocardia. Puisque
Nocardia forme une cume, il semble logique de lattaquer en
aspergeant cette cume avec du chlore.
Amas de bactries filamenteuses gross. 320 (Sphaerotilus
natans)
Colonie dOpercularia gross. 100 .
1.2.4. Les protozoairesLes protozoaires peuvent atteindre des
abondances remarquables dans les boues actives, o ils jouent un rle
important dans la clart finale de leffluent. Les protozoaires
prsents dans les boues actives sont les Flagells, les Cilis et les
Amibes. Leur observation microscopique est relativement aise et
fournit des indications intressantes sur la sant dune boue, cest
pourquoi nous les dcrirons avec quelques dtails. Leurs
caractristiques gnrale sont les suivantes : structure corticale trs
organise, o prdominent les cils ; prsence dun orifice buccal ou
cytostome ; vacuoles alimentaires et vacuoles excrtoires
pulsatiles, cest dire se contractant rythmiquement ; un micronoyau
fonction gntique, et un macronoyau fonction mtabolique ; prsence
dune conjugaison sexuelle ; reproduction par scission transversale
le long du plan quatorial du corps. Les Flagells se dplacent en
agitant devant eux un flagelle trs mobile. Ils sont amens par leau
use, et se nourrissent de matire organique. Ils entrent donc en
comptition pour elle avec les bactries disperses et avec les
bactries flocules, de sorte quils disparaissent rapidement ou ne
sont prsents quen petit nombre. On ne 134
Epistylis gross. 100 .
Documents Facult des Sciences Agronomiques de Gembloux UER de
Microbiologie, Prof. J. Brakel et M. Culot.
135
REACTEURS AEROBIES A BIOMASSE EN SUSPENSION (boues actives)
les trouve en abondance que dans les installations forte charge,
ou fonctionnant mal. Les Cilis sont au contraire prdateurs, et se
nourrissent de bactries, surtout isoles. Il est certain que leur
apparition concide avec une meilleure clarification finale de
leffluent. Ils peuvent atteindre jusqu 5 % de la biomasse en
suspension, et consommer jusqu 10 % des bactries isoles, dans
larateur aussi bien que dans le dcanteur (HAMER, 1985). On divise
gnralement les Cilis en trois groupes (STRUMIA et al., 1986), sur
la base de leur comportement. n Les nageurs, qui se dplacent
librement dans la liqueur mixte et vivent disperss (ex.
Chilodonella uncinata, 60 , fig. 6.3a). Ils ne sont pas recycls
avec la boue et disparaissent rapidement. Leur prsence est typique
des installations en dmarrage. n Les rampants, qui sont en principe
libres mais se meuvent dans les bioflocs laide dune sorte
particulire de cils, les cirres (ex. Aspidisca costata, 30 , fig.
6.3c). Fixs aux boues, ils sont spars avec celles-ci dans le
dcanteur secondaire et recycls. Ils ont donc un net avantage de
comptition sur les nageurs, et sinstallent dans les boues mres. n
Les pdonculs ou sessiles, qui vivent fixs demeure sur les bioflocs
par leur pdoncule. Ces espces forment souvent des bouquets
(Carchesium polypinum, fig. 6.3e). Eux aussi sont recycls avec les
boues et caractrisent des boues mres et stables. Une boue active
peut contenir jusqu une dizaine despces parmi lesquelles : Nageurs
Trachelophyllum pusillum (*) d Litonotus fasciola Chilodonella
uncinata (*) a Trachilia minuta Rampants Aspidisca costata (*) c
Euplotes eurystomus Sessiles Vorticella convallaria Vorticella
microstoma Opercularia microdiscum (*) b Opercularia coarctata
Epistylis rotans Epistylis plicatilis Carchesium polypinum (*) e
Tokophrya Acineta Les organismes marqus * sont les plus frquents,
selon CURDS et COCKBURN (1970). 136
Fig. 6.3 Protozoaires. Document extrait de Notes on Water
Pollution , N 43, HMSO, London. Les deux facteurs qui conditionnent
avant tout ltablissement et le maintien des populations de
protozoaires sont la teneur en oxygne et lge des boues c. Les
besoins en oxygne sont levs, et on ne voit gure de protozoaires
dans les liqueurs mixtes contenant moins de 2 mg O2/l, sinon des
Flagells. Dans les installations trs forte charge, c tant par
exemple < 2 j, les protozoaires nont pas la possibilt de
sinstaller. Dans les installations fo
