Impact des intéractions microorganismes - matrice cimentaire sur la détérioration des bétons dans la filière de méthanisation

La méthanisation est un procédé permettant la transformation, par des microorganismes, de la matière organique fermentescible en deux produits d’intérêt, le biogaz et le digestat. Le biogaz est majoritairement constitué de CH4 et de CO2 et est valorisé pour produire de l’énergie. Le digestat peut être utilisé en tant que fertilisant à des fins agronomiques. La méthanisation, en utilisant des déchets comme substrats, pour produire de l’énergie renouvelable, s’inscrit dans des dynamiques d’économie circulaire et de transition énergétique. Il s’agit par conséquent d’un secteur en pleine croissance. La plupart des digesteurs dans lesquels ce procédé est réalisé sont construits, à l’échelle industrielle, en béton. Les produits du métabolisme des microorganismes impliqués dans le procédé de méthanisation, particulièrement le CO2, les acides gras volatils et les ions NH4+,induisent un phénomène de biodétérioration des matériaux cimentaires. Plus précisément, la formation d’un biofilm microbien sur la surface du béton est susceptible d’amplifier ce phénomène sans pour autant connaître les mécanismes impliqués. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR BIBENDoM. Elle a pour objectifs : (i) d’apporter une meilleure compréhension du rôle aggravant du biofilm dans le phénomène de biodétérioration des matériaux cimentaires, (ii)d’évaluer l’effet individuel de biofilms mono-espèces produisant un seul type de métabolites agressifs et (iii) de proposer des solutions techniques pour limiter l’action dégradante du biofilmsur les matériaux cimentaires, en exploitant les connaissances nouvelles. Une méthode de décrochage permettant d’échantillonner séquentiellement deux couches distinctes du biofilm a été mise au point. De même, une technique permettant de mesurer le pH au sein du biofilm par fluorescence en microscopie confocale a été développée. Le premier axe de recherche s’est focalisé sur l’étude de biofilms formés sur des pâtes cimentaires (CEM I, CEM III, CAC et métakaolin alcali-activé) immergées dans un milieu reproduisant les conditions de méthanisation.La diversité des populations microbiennes au sein du biofilm a été mise en relation avec les concentrations en agents agressifs du milieu réactionnel et le degré de biodétérioration des matériaux cimentaires. Le deuxième axe visait à utiliser des biofilms mono-espèces modèles, comme celui de Propionibacterium acidipropionici, ne produisant qu’un agent agressif pour évaluer son impact spécifique sur la biodétérioration de matériaux cimentaires en dissociant l’effet attribuable aux métabolites agressifs biogénérés de celui propre au développement et à l’activité du biofilm. Les analyses de diversité microbienne ont mis en évidence une présence accrue de bactéries acidogènes, plus particulièrement du genre Clostridium, dans le biofilm (en particulier celui fortement attaché) ainsi qu’une prédominance de bactéries acétogènes et méthanogènes dans le milieu réactionnel. Le matériau à base de métakaolin alcali-activé a favorisé le développement des bactéries du genre Clostridium impliquées dans l’hydrolyse et l’acidogénèse au détriment des bactéries fermentant les acides aminés. Le mécanisme de biodétérioration des pâtes cimentaires à base de ciment CEM I résulte d’une lixiviation du calcium issu de la dissolution des phases cimentaires, qui est gouvernée par un phénomène diffusif. Les essais de biodétérioration menés sur l’espèce modèle P. acidipropionici produisant de l’acide propionique laissent présager un effet aggravant attribuable à la formation d’un biofilm acidogène sur la biodétérioration des pâtes cimentaires sur lesquelles il s’est développé