Mercredi 5 juin 2024 – LBE-INRAE, Narbonne
Journée co-organisée par l’OT SAMI du LBE, l’UMR MISTEA et le réseau REUSE
10h00 – 10h30 Sahak Yeghiazaryan (LBE)
Titre : Modeling of three-tiered syntrophic propionate degradation by thermophilic microorganisms
Résumé : During anaerobic digestion, propionate can be degraded by three-tiered syntrophic interaction. It consists of propionate oxidizers which oxidize propionate into acetate and hydrogen. After acetate oxidizers oxidize acetate again generating hydrogen. And finally, hydrogenotrophic acetogens oxidize hydrogen to methane. The activity and microbial composition of this type of system were investigated by (Singh et al. 2023). The data from their experiment of batch reactors and continuously stirred reactors (CSTR) were used to construct the simplified AMD1-like model. The oxidation reactions of propionate, acetate, and hydrogen have ΔG values close to 0. For this reason, the model was constructed with the calculation of ΔG values of reaction, to prevent the model from predicting states with positive ΔG. To implement thermodynamic constraints into the model, competitive inhibition function for inhibition and dynamic growth yield were estimated using ΔG values according to (Leurent and Moscoviz 2022).
After estimating parameters, good fitting was obtained between model prediction and real data in batch experiments and CSTR. This work showed the applicability of thermodynamic contains in AMD1-like models in cases where catabolic reactions did not yield much energy.
Leurent, Alexandre, and Roman Moscoviz. 2022. “Modeling a Propionate‐oxidizing Syntrophic Coculture Using Thermodynamic Principles.” Biotechnology and Bioengineering 119 (9): 2423–36. https://doi.org/10.1002/bit.28156.
Singh, Abhijeet, Anna Schnürer, Jan Dolfing, and Maria Westerholm. 2023. “Syntrophic Entanglements for Propionate and Acetate Oxidation under Thermophilic and High-Ammonia Conditions.” The ISME Journal 17 (11): 1966–78. https://doi.org/10.1038/s41396-023-01504-y.
*****
10h30 – 11h00 Boudalia Rayene et Adel Abouabdallah (LBE)
Résumé : Le développement d'un simulateur doté de lois de commande représente une avancée majeure dans l'optimisation des systèmes de traitement des eaux usées en vue de leur réutilisation dans l'agriculture. Ce simulateur intègre des modèles mathématiques sophistiqués pour simuler le processus de traitement des eaux usées, permettant ainsi de prédire et d'optimiser les performances du système. En combinant ces modèles avec des lois de commande, le simulateur peut ajuster dynamiquement les paramètres opérationnels pour s'adapter aux variations de qualité de l'eau et aux besoins spécifiques de l'irrigation agricole. Cette approche permet d'améliorer la flexibilité des systèmes de traitement, assurant ainsi une qualité d'eau constante et adaptée à une utilisation agricole durable.
******
11h00 – 11h30 Gildas Dadjo (UMR MISTEA-LBE-INRIA)
Titre : Minimal water consumption for a crop fertirrigation model
Résumé : One of the major consequences of climate change is rainy drought. This implies directly the reduction of agricultural production in a world with population growth. Indeed, agriculture is most water-intensive human activity but currently faced with this water deficit. The wastewater reuse in agriculture is one solution to compensate this deficit. For health and environmental reasons, standards and regulations are imposed, especially linked to the biological treatment of wastewater. The cost of treatment is undoubtedly prohibitive. In this context, the optimization of irrigation by providing plants with the quantity and quality of water adapted to their needs is a major objective the irrigated agriculture. In this presentation, we consider a simplified model of crop irrgation as a non-autonomous controlled system, with soil moisture, nitrogen content, and biomass as state variables, and the delivered water flow rate as input. This model descibes water and nitrogen stress which is suitable for decision support for irrigation. We assume here that the others resources necessary for crop growth, phosphorus, minerals, ... are not limiting. The originality of the model used compared to existing models in the literature is to explicitly consider that nitrogen can be provided by irrigation by modeling what we called “fertigation”. We study the problem of minimizing the total water quantity delivered during the agricultural season under the constraints that the crops are not suffering from water or nitrogen stress at any time. We establish sufficient conditions for the feasibility of the problem and depict several control strategies depending on the initial nitrogen content.
*****
11h30 – 12h00 Agustin Yabo (UMR MISTEA)
Titre : Predicting microbial cell composition and diauxic growth as optimal control strategies
Résumé : Bacteria have evolved internal regulatory mechanisms allowing them to allocate resources to different cellular functions while dealing with the physiological limitations of the cell. In this talk, we present a simple mathematical model of bacteria growing on n substitutable substrates aiming to capture these principles, focusing on the trade-off between metabolism and gene expression. The model is also able to capture a behavior known as diauxic
growth, which is the sequential consumption of the nutrients in the environment resulting from the limitation of resources of the metabolic machinery. Under the hypothesis that cell regulatory mechanisms are tuned to maximize bacterial growth, we study the optimal allocation strategies through Optimal Control theory, by means of the Pontryagin’s Maximum Principle. The optimal solutions are characterized by classical bang-singular-bang control structures, and
can be expressed as feedback control laws, in accordance with previous results. We conclude the paper with numerical optimal trajectories of the model representing an environment with three substrates with different associated yields coefficients.
*****
14h00 – 14h30 Carmelo Jean Louis (GEAU-MISTEA-LBE-Supagro)
Titre : Suivi et modélisation de la dynamique des réservoirs multiressources pour l'irrigation
Résumé : En France, au cours des 30 dernières années, les tensions autour du partage de la ressource en eau se sont accentuées, principalement en raison de l’évolution des usages de l’eau et du changement climatique. Au sein des bassins qui connaissent un déficit en eau, différentes stratégies agronomiques et techniques ont été mises en œuvre par les exploitants agricoles afin de préserver la ressource. Afin d’assurer la pérennité de la production viticole en conditions méditerranéennes, plusieurs leviers sont actuellement étudiés, et l’exploitation de ressources en eau dites « alternatives », comme les Eaux Usées Traitées (EUT), se révèle une option intéressante à développer.
L’utilisation de cette ressource, bien qu’elle soit source de nutriments pour les cultures (Becerra et al. 2015), et qu’elle limite les rejets directs dans les milieux récepteurs, soulève de nombreuses questions en raison du risque lié à la qualité microbiologique des eaux utilisées pour l’irrigation et la présence éventuelle de micropolluants (Ait-Mouheb et al. 2018). Aussi, afin d’augmenter la ressource fournie par les stations d’épuration et leur qualité, la mise en place de réservoirs de stockage d'eaux d'origines diverses (réservoir multiressource) semblent être une piste prometteuse pour l'agriculture irriguée. Cependant, l’évolution temporelle de la qualité de l’eau dans ces réservoirs remplis entièrement ou partiellement avec des eaux usées traitées reste une interrogation dans les conditions climatiques du bassin méditerranéen.
Ce travail a pour objectif de procéder au suivi et à la modélisation de la dynamique qualitative d'eaux usées traitées stockées dans des réservoirs à ciel ouvert dans une perspective d'application aux réservoirs multiressources à usage agricole. Quatre axes méthodologiques sont définies pour l'atteinte de ces objectifs: i) Suivre l'évolution de la qualité des eaux stockées dans deux réservoirs d'eaux usées traitées du bassin méditerranéen, celui de la station d'épuration de la commune de Rocquefort-dès-Corbières et celui de la commune de Murviel-lès-Montpellier, ii) Procéder à la construction et la validation d'un modèle mécaniste prenant en compte l'évolution de la qualité des eaux et l'hydrodynamique des réservoirs iii) procéder au développement de modèles réduits afin d'aborder la question de la gestion optimale de ces réservoirs iv) Etudier l'applicabilité de cette méthodologie aux réservoirs multiressources.
*****
14h30 – 15h00 Aymen Chaaben (LBE-IEM)
Titre : Modélisation du colmatage des systèmes de filtration d’eaux usées brutes
Résumé : La technologie de séparation membranaire devient de plus en plus répandue pour traiter les eaux usées. Au cours de la dernière décennie, les membranes ont été de plus en plus utilisées pour filtrer directement les eaux usées brutes, une méthode connue sous le nom de filtration directe des eaux usées brutes (EUB). Cette approche offre également la possibilité d'une extraction d'eau décentralisée, en se connectant directement aux réseaux d'égouts. Malgré le fait que ces systèmes nécessitent une consommation énergétique importante, la filtration directe des EUB reste moins énergivore que la technologie BioRéacteur à Membranes (BRM), en raison de l'absence de réactions biologiques et de sa simplicité de mise en œuvre. Cependant, la gestion du colmatage membranaire reste un défi majeur, justifiant ainsi la modélisation de sa dynamique pour optimiser le fonctionnement du système. En plus de l’utilisation de rétro-lavages comme nettoyage physique, les systèmes de filtration membranaire à cisaillement (injection d’air/membrane dynamique) se sont révélés être une alternative prometteuse pour contrôler le dépôt colmatant lors de la filtration. Dans notre étude, la modélisation des systèmes de filtration (membrane UF) a pour but de caractériser, prédire le colmatage et essentiellement déterminer les stratégies optimales de nettoyage physique en termes de durée de filtration, de fréquence de lavage pour optimiser la production d’eau et réduire les dépenses énergétiques.
*****
15h00 – 15h30 Chaimaa Hakim (LBE)
Titre : A kinetic study of anaerbic digestion of raw and pretreated olive mill wastewater by adsorption process at mesophilic temperatures.
Résumé : Over 95% of the world's olive oil production is concentrated in the Mediterranean area, resulting in 6-7 million tons/year of olive mill wastewater (OMWW). OMWW is characterized by a high organic matter content, low pH, and the presence of toxic constituents (e.g., polyphenols), which present a serious environmental problem.
Batch anaerobic digestion tests of raw and pretreated OMWW, using an adsorption process, were performed to assess their Biochemical Methane Potential (BMP) and kinetic parameters under mesophilic conditions. The highest methane yield from the pretreated OMWW was 339 Nml/g COD in 35 days.
Near equivalence between experimental and modeled methane production was found. The results showed that the rate of substrate uptake is correlated with the concentration of biodegradable substrate. Moreover, the kinetics of the easily degradable fraction of OMWW are strongly dependent on the polyphenol concentration.