Étude expérimentale du couplage entre croissance bactérienne et transport d'un polluant organique en milieu poreux PDF Download
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Author: Tiangoua Koné
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Un dispositif expérimental a été développé pour l'étude du couplage de la croissance d'un biofilm de Shewanella oneidensis MR-1 et du transport conservatif de l'Erioglaucine. La croissance du biofilm a été suivie par mesure de conductivité hydraulique et par acquisition d'images à l'aide d'une caméra digitale. La fraction volumique du biofilm a été caractérisée par des essais d'élution d'une macromolécule (i.e. : le Bleu Dextran) par analogie avec les méthodes de chromatographie d'exclusion ou de filtration sur gel. Ainsi au bout de 29 jours, un biofilm quasi-homogène sur l'ensemble de la cellule d'écoulement (0,1×0,1×0,05m3) et équivalent à 50% du volume poral a été formé. L'influence de la croissance du biofilm sur les propriétés de transport du milieu a été évaluée. Les essais de transport conservatif de l'Erioglaucine effectués pour deux vitesses d'injection et à deux stades de croissance du biofilm (17 et 29 jours) ont montré l'influence d'hétérogénéités locales sur les paramètres de transport (i.e. : la porosité, la perméabilité et la dispersion hydrodynamique). Ainsi après 17 jours de culture quand le biofilm occupe partiellement le milieu poreux (moitié inférieure) un modèle à deux équations ou double milieu permet de caractériser le transport conservatif. A contrario après 29 jours de culture où le biofilm occupe tout le milieu poreux, un comportement fickien classique caractérise le transport. Les valeurs théoriques du coefficient de dispersion longitudinale prédites par la méthode de prise de moyenne volumique ont permis de reproduire de manière satisfaisante le comportement observé expérimentalement.
Author: Tiangoua Koné
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Un dispositif expérimental a été développé pour l'étude du couplage de la croissance d'un biofilm de Shewanella oneidensis MR-1 et du transport conservatif de l'Erioglaucine. La croissance du biofilm a été suivie par mesure de conductivité hydraulique et par acquisition d'images à l'aide d'une caméra digitale. La fraction volumique du biofilm a été caractérisée par des essais d'élution d'une macromolécule (i.e. : le Bleu Dextran) par analogie avec les méthodes de chromatographie d'exclusion ou de filtration sur gel. Ainsi au bout de 29 jours, un biofilm quasi-homogène sur l'ensemble de la cellule d'écoulement (0,1×0,1×0,05m3) et équivalent à 50% du volume poral a été formé. L'influence de la croissance du biofilm sur les propriétés de transport du milieu a été évaluée. Les essais de transport conservatif de l'Erioglaucine effectués pour deux vitesses d'injection et à deux stades de croissance du biofilm (17 et 29 jours) ont montré l'influence d'hétérogénéités locales sur les paramètres de transport (i.e. : la porosité, la perméabilité et la dispersion hydrodynamique). Ainsi après 17 jours de culture quand le biofilm occupe partiellement le milieu poreux (moitié inférieure) un modèle à deux équations ou double milieu permet de caractériser le transport conservatif. A contrario après 29 jours de culture où le biofilm occupe tout le milieu poreux, un comportement fickien classique caractérise le transport. Les valeurs théoriques du coefficient de dispersion longitudinale prédites par la méthode de prise de moyenne volumique ont permis de reproduire de manière satisfaisante le comportement observé expérimentalement.
Author: Tidjani Bahar Bahar
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La contamination des ressources en eaux souterraines par une phase organique non miscible à l'eau couramment appelée NAPL (Non Aqueous Phase Liquid) constitue aujourd'hui un défi scientifique majeur compte tenu de la durée de vie d'un tel polluant. Bien que l'activité bactérienne (généralement présente sous forme de biofilm) joue un rôle crucial dans le devenir à long terme de ces effluents, peu d'études existent à l'heure actuelle sur son impact dans des conditions multiphasiques (i.e., à proximité de la source). En effet, dans la zone saturée, sous l'action des forces capillaires, le NAPL se retrouve souvent piégé, en effet, sous forme de «gouttelettes» au niveau des pores. Ce comportement spécifique au polluant modifie la dynamique du système biofilm/milieu poreux saturé et d'importantes questions restent encore ouvertes : accessibilité du polluant, modification de la tension interfaciale, production de biosurfactant, effet de toxicité (inhibition de la croissance bactérienne). Pour tenter de répondre à ces questions, nous avons adopté une approche aussi bien théorique qu'expérimentale. L'approche théorique porte sur le développement d'un modèle macroscopique décrivant le transport multiphasique en milieu poreux pour un système eau/NAPL/biofilm. Elle repose sur la méthode de prise de moyenne volumique, appliqué aux équations décrivant le couplage écoulement/transport à l'échelle du pore, permettant d'effectuer le changement d'échelle et dériver un modèle à deux équations. Le modèle est établit sous les hypothèses d'équilibre de masse local à l'interface fluide/biofilm et les contraintes associées à ces hypothèses ont étés définies. L'influence des caractéristiques microscopiques (arrangement des grains, fraction volumique du biofilm, distribution des blobs de NAPL, mouillabilité) sur les propriétés effectives du milieu (coefficient de dispersion, coefficient d'échange de masse) est discutée au travers des résultats issus des simulations. Ensuite, le modèle macroscopique a été comparé avec succès à la simulation numérique direct à l'échelle du pore pour la géométrie 2D complexe considérée. Quant à l'approche expérimentale, elle consiste à étudier le transport et la biodégradation du toluène en présence des bactéries Pseudomonas Putida F1 à l'aide d'un milieu poreux transparent 2D (micromodèle). Premièrement, nous avons étudié la dissolution du toluène résiduel sans bactéries et des courbes de dissolution du toluène ont été obtenues. Les résultats de dissolution du toluène en condition abiotique ont été comparés avec succès aux résultats du modèle théorique. Ensuite, l'étude expérimentale en micromodèle a porté sur la dissolution du toluène en condition biotique. Les résultats de ces études (courbes de dissolution et évolution de la saturation résiduelle) ont montré un impact significatif de la présence des bactéries sur les processus de dissolution par comparaison au cas abiotique.
Author: Laurent Orgogozo
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Pages : 249
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Modéliser les phénomènes de transport de solutés organiques en milieux poreux colonisés par des populations bactériennes se développant sous forme de biofilms est un domaine de recherche important pour un certain nombre d'applications environnementales, comme par exemple pour les méthodes de bioremédiation des sols et des eaux contaminés par des polluants organiques (biosparging, bio-barrières ...). Les biofilms, qui sont composés principalement de bactéries et de substances polymériques extracellulaires, peuvent se développer sur les parois de grains d'un milieu poreux. Le métabolisme bactérien dégrade les solutés organiques et contribue ainsi à la diminution de la contamination. Le transport bio-réactif de composés organiques dans un milieu poreux incluant un biofilm est un problème fortement multi-échelle (depuis l'échelle de la bactérie jusqu'à l'échelle de l'aquifère) et fortement couplé (avec des phénomènes hydrodynamiques, physico-chimiques et biochimiques). Le soluté organique est transporté par convection et diffusion dans la phase fluide et diffuse dans la phase biofilm, où il est dégradé par le métabolisme bactérien. Le but de ce travail est de développer des modèles de transport bio-réactif définis à l'échelle de Darcy à partir des données disponibles à l'échelle du pore, en adoptant la méthode de changement d'échelle dite de prise de moyenne volumique. Dans le cas général, une telle approche conduit à un modèle macroscopique de transport à deux équations couplées (une équation par phase de transport). En considérant les relations entre les concentrations moyennées dans chaque phase, plusieurs régimes de transport permettant de dégénérer ce modèle en modèle à une seule équation peuvent être identifiés. L'hypothèse d'équilibre de masse local conduit à un tel modèle simplifié. En condition de non-équilibre, deux cas limites permettent également de développer des modèles de transport à une équation : le cas où le taux de biodégradation est contrôlé par le transfert de masse externe et le cas ou il est contrôlé par la cinétique de réaction. L'utilisation de ces quatre modèles implique la résolution numérique de problèmes de fermeture, afin d'évaluer les paramètres macroscopiques de transports (tenseur de dispersion, taux de dégradation ...). Des calculs de coefficients effectifs ont été effectués dans différentes conditions de transport afin d'étudier leur comportement. Les résultats de ces modèles ont été comparés avec ceux obtenus par simulations directe à l'échelle microscopique pour une géométrie de pore bidimensionnelle stratifiée. À partir de ces comparaisons, les domaines de validité de chaque modèle ont été identifiés en termes de conditions hydrodynamique et biochimique de transport. (i.e. le nombre de Péclet et le nombre de Damköhler). Le développement d'un modèle expérimental de transport en milieux poreux incluant un biofilm a également été entamé, afin d'une part d'effectuer une validation expérimentale des modèles numériques préalablement développés et d'autre part de fournir un outil supplémentaire pour l'étude des phénomènes considérés.
Author: Marbe Benioug
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L'évolution d'une phase microbienne au sein d'un milieu poreux est un processus complexe de par la prise en compte des effets de croissance (ou de mortalité) et d'étalement de la phase cellulaire. D'autres processus tels que l'arrachement d'une partie du biofilm ou l'attachement-détachement de cellules mobiles depuis la phase fluide peuvent aussi contribuer à la variation du volume de biofilm présent. Une meilleure compréhension des interactions mis en jeu entre les processus de croissance de biofilm, du transport de soluté et de l'écoulement et une modélisation rigoureuse de ce processus de croissance à l'échelle microscopique est un enjeu essentiel à une prédiction plus fine du devenir des polluants dans les sols. L'évolution temporelle d'un milieu poreux sous l'effet de l'activité biologique constitue toutefois à l'heure actuelle un défi scientifique majeur d'un point de vue de la modélisation numérique. Les variations locales de la géométrie du domaine (bio-obstruction des pores) induisent en effet une chenalisation de l'écoulement et du transport qui va évoluer au cours du temps. Si différentes méthodes numériques - lagrangiennes ou eulériennes - ont été développées (méthode de capture du front, méthode d'interface diffuse de type « Level Set » ou « Volume Of Fluid »), elles restent souvent peu adaptées à des modélisations 3D à l'échelle du pore (temps de calcul, remaillage parfois nécessaire, problème de gain ou de perte de masse). Nous combinons ici une méthode IBM (Immersed Boundary Method) à une méthode LBM (Lattice Boltzman Method) pour le calcul de l'écoulement en 3D tandis qu'une approche de type VOF (Volume of Fluid) ou par reconstruction d'interface couplée à une discrétisation en Volume Finis est utilisée pour le transport des espèces chimiques. L'intérêt ici de la méthode IB-LBM est de pouvoir bénéficier de la précision de la formulation Lattice- Boltzmann tout en travaillant sur un maillage fixe, un terme correcteur venant modifier la vitesse au voisinage des interfaces mobiles. Le modèle d'écoulement-transport en milieu poreux évolutif développé est ensuite couplé à un modèle d'automate cellulaire prenant en compte les processus d'attachement-détachement. Le modèle est comparé à des benchmarks numériques et utilisé pour étudier les différents régimes de croissance du biofilm en fonction des conditions hydrodynamiques. Dans le dernier chapitre, ce modèle est étendu à la prise en compte d'une phase non-miscible afin d'étudier l'impact des processus de biodégradation sur la dissolution d'une phase polluante piégé. On se limite aux conditions où le NAPL est à saturation résiduelle. L'influence de la production de biosurfactant sur la solubilité du polluant ainsi que la toxicité de celui-ci sur la cinétique de croissance des bactéries est prise en compte. Plusieurs résultats numériques sont présentés afin d'illustrer l'influence des différents paramètres hydrodynamiques sur la dissolution du NAPL.
Author: Annelise Emonet
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Pages : 171
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Une synthèse bibliographique complétée par une étude numérique réalisée avec SIMUSCOPP a permis de dimensionner et mettre au point un dispositif expérimental dédié à l'étude de la migration d'un polluant organique (Trichloroethylène) et de ses différentes phases dans un milieu poreux homogène variablement saturé en eau. L'élaboration d'une méthodologie analytique, d'un protocole de prélèvement et de conditionnement d'échantillons a permis de suivre spatio-temporellement l'évolution des concentrations en TCE au cours de sa migration. Des réplicats d'expériences ont mis en évidence l'établissement d'équilibre pour les différentes phases du polluant. Bien que les battements du niveau de la zone saturée aient engendré de fortes variations dans les concentrations, des états d'équilibre ont été atteints pour toutes les phases, au bout de quelques heures. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques souligne la bonne adéquation entre les phénomènes mesurés et calculés.
Author: Férid Ben Slimane
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Pages : 258
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Le présent travail vise à synthétiser l'état des connaissances en matière de modélisation du transfert de polluants organiques en milieu poreux naturel. Il s'articule autour des deux interrogations suivantes : - devant le nombre croissant de modèles de transfert de polluants, de plus en plus spécifiques et complexes, quels sont les critères de sélection à prendre en considération afin de disposer d'outils prédictifs relativement simples (requérant le moins de paramètres) ? - à l'issue d'une étude historique approfondie, d'un diagnostic classique de site pollué et d'une estimation des paramètres d'entrée des modèles de transport et d'écoulement, obtenue à l'issue d'une recherche bibliographique détaillée, peut-on, à l'aide de simulations relativement simples, valider ou approcher les valeurs observées lors du suivi ? Pour ce faire, dans un premier temps, un modèle de transfert a été sélectionné à l'issue d'un inventaire des codes disponibles sur le marché et dans la littérature. Dans un second temps, le code sélectionné a été appliqué à deux cas de pollutions issues de l'utilisation de produits de préservation du bois : la première due au lindane, la seconde due à la créosote. Les résultats des simulations ont été par la suite confrontés aux valeurs de concentrations relevées à l'issue du suivi réalisé sur ces deux sites.
Author: Albert Jacobs
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Languages : fr
Pages : 283
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L’étude du transport bactérien en milieux poreux est un enjeu important pour la protection des nappes phréatiques contre des contaminations microbiologiques. La pratique d’épandage des effluents des stations d’épuration est une source de bactéries pathogènes dont le déplacement dans le sol constitue un risque pour la santé publique. Le transport d’une bactérie dans un milieu poreux résulte d’une compétition entre processus de déplacement, d’adhésion et de blocage. Des expériences avec une large gamme de bactéries aux propriétés de surface différentes (composantes de la tension de surface et charges) ont été réalisées pour essayer de relier ces propriétés à leur rétention en milieu poreux. Les résultats montrent que les cinétiques de rétention sont corrélées aux interactions électrostatiques mais qu’il ne semble pas y avoir de corrélation entre l’énergie libre totale d’interaction et la quantité de bactéries retenues. L’observation in situ par microscopie confocale du déplacement de cellules d’Escherichia coli a mis en évidence le coinçage des cellules bactériennes par des rugosités de surface et les zones de contact entre grains d’un milieu poreux. Ces résultats confirment l’existence de possibilités de rétention en milieux poreux même en présence de conditions défavorables (énergie libre totale d’interaction positive). Des expériences de transport avec Escherichia coli conduites dans des milieux poreux se différentiant par leur porosité et physico-chimie ont été utilisées pour évaluer le poids respectif des phénomènes de transport et d’adhésion dans la migration de cellules et pour tester un modèle de transport. La restitution des courbes d’élution observées a requis la prise en compte de deux types de détachements des cellules retenues. Les cellules retenues par les interactions de faibles intensités (Lifshitz-van der Waals) peuvent se décrocher sous l’effet des forces hydrodynamiques ou par des répulsions électrostatiques dont la portée et l’intensité augmentent lorsque la force ionique de la solution diminue. Les cellules fortement retenues peuvent aussi se détacher mais à un rythme lent et donnent lieu à de longues traînées. Les résultats ont montré que dans les milieux homogènes le transport bactérien est principalement gouverné par les interactions électrostatiques, alors que dans des milieux présentant une porosité plus compliquée, le transport est moins dépendant des interactions électrostatiques, voire très peu influencé par celles-ci. L’étude du transport, dans un sable et dans un sol, d’une communauté bactérienne issue d’une boue de station d’épuration a montré les points suivants : i/ une forte réduction de la diversité microbienne et de la concentration bactérienne ; ii/ parmi les espèces transportées se trouvaient des coliformes fécaux ; iii/ les bactéries ayant traversé les colonnes sont chargées négativement. Ces résultats confirment le rôle important des interactions électrostatiques sur la migration de bactéries en milieux poreux
Author: Marbe Benioug
Publisher: Univ Europeenne
ISBN: 9783841776594
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Languages : fr
Pages : 176
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L'evolution d'une phase microbienne au sein d'un milieu poreux est un processus complexe de par la prise en compte des effets de croissance (ou de mortalite) et d'etalement de la phase cellulaire. D'autres processus tels que l'arrachement d'une partie du biofilm ou l'attachement detachement de cellules mobiles depuis la phase fluide peuvent aussi contribuer a la variation du volume de biofilm present. Une meilleure comprehension des interactions mis en jeu entre les processus de croissance de biofilm, du transport de solute et de l'ecoulement et une modelisation rigoureuse de ce processus de croissance a l'echelle microscopique est un enjeu essentiel a une prediction plus fine du devenir des polluants dans les sols. L'evolution temporelle d'un milieu poreux sous l'effet de l'activite biologique constitue toutefois a l'heure actuelle un defi scientifique majeur d'un point de vue de la modelisation numerique. Les variations locales de la geometrie du domaine (bio-obstruction des pores) induisent en effet une chenalisation de l'ecoulement et du transport qui va evoluer au cours du temps.
Author: Valérie Guérin
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Languages : fr
Pages : 260
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AFIN D'ETUDIER LES MECANISMES ELEMENTAIRES (PHYSIQUES, CHIMIQUES ET BIOLOGIQUE) RESPONSABLES DU TRANSPORT DE POLLUANT EN MILIEU POREUX SATURE, UNE DEMARCHE EXPERIMENTALE A ETE MISE EN PLACE. NOTRE ETUDE PORTE SUR UN DERIVE MERCURIEL LE PHENYL ACETATE DE MERCURE (PMA), TRANSITANT DANS UN MILIEU POREUX MAJORITAIREMENT SILICEUX AVEC INTERVENTION D'UNE SOUCHE DE PSEUDOMONAS FLUORESCENS. DES ESSAIS BATCH (CONDITIONS STATIQUES) PERMETTENT L'IDENTIFICATION DES MECANISMES ELEMENTAIRES. LES ESSAIS EN COLONNE (CONDITIONS DYNAMIQUES) METTENT EN EVIDENCE LES LIMITATIONS DE CES MECANISMES ELEMENTAIRES. LA CONDUITE D'ESSAIS EXPERIMENTAUX EN LABORATOIRE ET DONC EN CONDITIONS PARFAITEMENT CONTROLEES, PERMET D'EVALUER LE ROLE ET L'INFLUENCE DES CARACTERISTIQUES DU MILIEU PRIS SEPAREMENT. LE BUT ETANT D'EVALUER LORS DU TRANSPORT D'UN POLLUANT EN MILIEU POREUX SATURE, LA PART FIXEE A LA PHASE SOLIDE (REMOBILISABLE OU NON), LA PART FIXEE OU DEGRADEE PAR LES BACTERIES, EN PRENANT EN COMPTE LA FIXITE OU LA MOBILITE DE LA PHASE BACTERIENNE. TOUT CECI EN CONSIDERANT L'INFLUENCE DE LA VITESSE D'ECOULEMENT, DE LA TEMPERATURE, DE LA COMPOSITION DU MILIEU POREUX ET DE LA PHASE CIRCULANTE. PARALLELEMENT AU TRAVAIL EXPERIMENTAL, UN CODE DE CALCUL PRENANT EN COMPTE LES PHENOMENES D'ADVECTION-DISPERSION MAIS EGALEMENT LES REACTIONS BIOPHYSICOCHIMIQUES A ETE UTILISE AFIN DE SIMULER LES RESULTATS OBTENUS.
Author: Marie Eichinger
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Languages : en
Pages : 163
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This thesis aims to utilise both experimental and modelling approaches to investigate growth of pelagic heterotrophic bacteria that utilise dissolved organic carbon (DOC) as nutritive resource. Two main axes merge from this work: (1) the study of growth models, constructed from experimental results, with a view to implement them in ecosystem models, and (2) the investigation of the environmental factors influencing the bacterial growth efficiency (BGE) with these models. The main objective consists of the study of bacterial growth in different environmental contexts and to deduce a suitable mathematical formulation for describing the interaction between growth and DOC to include this in a biogeochemical model later on. Firstly, bacterial production and respiration data, obtained during the POMME program that carried out in the Northeast Atlantic Ocean according to several depths and seasons, allowed the application of the Monod model that uses Michaelis-Menten kinetics. The coupled study of the model with data permitted to show that BGE varies according to depth and season. BGE has been estimated experimentally directly from data but also with the model, as BGE is one of the parameter. We have thus highlighted that this model, often utilised in biogeochemical models to represent bacterial growth, is not sufficient. In order to use mechanistic models to describe bacterial growth, we decided to realise biodegradation experiments, in artificial and controlled medium, with a monospecific bacterial strain and a unique carbon substrate. Two kinds of experiments were realised: batch-kind experiments where all the carbon substrate was introduced since the beginning of the experiment, and experiments where the carbon substrate was periodically pulsed. The total amount of substrate put in both systems was the same. These experiments first allowed highlighting key processes: the refractory DOC production that accumulates in batches, the variation of the specific bacterial carbon content during an experiment, the maintenance process at the respiration level when bacteria are starved as well as the instantaneous response to an environmental perturbation. BGE have also been estimated for each experiment and according to different methods: experimentally directly from the data sets and from various models, each of them comprising a different level of complexity. Three models were utilised: the Monod model, the Marr-Pirt model and a mechanistic model resulting from the DEB (Dynamic Energy Budget) theory and specifically constructed for the pulse substrate experiment. We highlighted that what else the method used, BGE value is always higher for the pulse experiment than for the batch-kind experiment. BGE values were also always higher when the maintenance process was taken into account in their estimation. This would mean that BGE value is under-estimated with the classical method of estimation, i.e. with batch experiments and without considering the maintenance process. This would lead to the conclusion that the bacterial role as CO2 producer is over-estimated. The DEB model, highly complex for the representation of only one bacterial species and a unique substrate, was also simplified in view of its implementation in a biogeochemical model later on. We have demonstrated that the original system with 4 differential equations can be reduced to a system with 2 differential equations, where growth can be expressed by a logistic equation with a variable carrying capacity. The simplification of this model does not imply any loss of performance at the level of model dynamics and reduces the calibration and simulation time.
