Thèse Année : 2023

Microbiome fate along the treated wastewater/microirrigation systems/soil continuum

Devenir des microbiomes le long du continuum eaux usées traitées/systèmes de micro-irrigation/sol

Vincent Moulia
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1267736
  • IdRef : 282967443

Résumé

The aim of this thesis is to evaluate the fate of microbial contaminants carried by wastewater along the continuum: raw water, treated water, irrigation systems to irrigated soils. Trials were carried out on the Murviel-lès-Montpellier experimental water reuse platform, during the greenhouse cultivation of lettuces, as well as during field irrigation. Four different water qualities were used: water containing all organic matter, nutrients and anthropogenic bacteria (raw water: RWW), water containing little organic matter but nutrients and bacteria from the sewage system (outlet water from a forced-aeration reed bed plant: CWW), water containing little organic matter but nutrients and no bacteria (outlet water from a membrane bioreactor: MBW) and control water (tap water: TW). Analytical tools such as molecular biology (NGS sequencing, ddPCR and qPCR), coupled with microscopic observations (optical coherence tomography), have enabled us to characterize microbiomes in terms of their composition, richness and diversity. Other tools were used to quantify organic matter and the main ions (3DEEM fluorescence, ion chromatography, TOC, COD, etc.). These analyses concern the soil matrix and the various water matrices.Soil bacterial community structure showed a graded impact, with three differentiated groups: soils irrigated with drinking water on the one hand, soils irrigated with raw water on the other, and finally soils irrigated with both types of treated wastewater, indistinguishable from each other. In addition, the biomass response of functional bacteria linked to the nitrogen cycle was proportional to the quantity of nitrogen compounds supplied. At the same time, enteric bacteria concentrations could only be quantified and detected in soils irrigated with raw wastewater, not in soils irrigated with treated wastewater.The micro-irrigation network was studied on a full-scale for 4 months, sampling both drippers and pipes with drippers having different flow rates and flow regimes. Irrigation network efficiency was not impacted by different water qualities under the experimental conditions studied: uniformity was maintained throughout the irrigation network despite variability in hydrodynamic conditions. The position on the network (beginning, middle and end of line) had no significant impact on the level of clogging assessed by optical coherence tomography (OCT) (in drippers with optical access) and bacterial quantification.Finally, the last part of the thesis focused on the interactions between water in transit through the drip irrigation system and biofilm development, in order to assess whether the presence of biofilms modifies the microbiome of the water in transit and the concentrations of undesirable bacteria (enteric pathogens and opportunistic species). The results showed that the bacterial community structure of irrigation water could be influenced by biofilms, and that this was more likely to be the case after several months of irrigation. However, this modification did not lead to additional contamination of the irrigation water by opportunistic pathogens such as Legionella pneumophila or Aeromonas hydrophyla. On the other hand, the microbiological quality of the water could be degraded by Escherichia coli in the case of a more mature biofilm, where higher concentrations were found in the outlet water. The aim of this thesis work is to further our knowledge of the ecological, health and technical risks of field-scale reuse.

Cette thèse a pour objectif d’évaluer le devenir des contaminants microbiens amenés par les eaux usées le long du continuum : eaux brutes, eaux traitées, systèmes d’irrigation aux sols irrigués. Les essais ont été réalisés sur la plateforme expérimentale de réutilisation des eaux de Murviel-lès-Montpellier lors de la culture en serre de salades mais aussi lors d’irrigation en plein champs. Quatre qualités d’eau différentes ont été utilisées : une eau contenant toute la matière organique, tous les nutriments et les bactéries anthropiques (Eau brute : RWW), une eau contenant peu de matières organiques mais des nutriments et des bactéries issues du système d’assainissement (Eau de sortie de station Lit plantés de roseau à aération forcée : CWW) une eau contenant peu de matières organiques mais des nutriments et dépourvue de bactéries (Eau de sortie d’un Bioréacteur à Membranes : MBW) et une eau témoin (Eau du robinet : TW). Les outils d’analyses, comme la biologie moléculaire (séquençage NGS, ddPCR et qPCR), couplés à des observations microscopiques (tomographie en cohérence optique) ont permis de caractériser les microbiomes du point de vue de leur composition, richesse et diversité. Alors que d’autres outils ont permis de quantifier la matière organique et les principaux ions (Fluorescence 3DEEM, chromatographie ionique, COT, DCO, ...). Ces analyses concernent la matrice sols et les différentes matrices eaux.La structure des communautés bactériennes du sol a connu un impact gradué avec trois groupes différenciés : sols irrigués avec l’eau potable d’une part, sols irrigués avec les eaux brutes d’autre part et enfin les sols irrigués par les deux types d’eaux usées traitées, non différenciables entre eux. De plus, la réponse en biomasse des bactéries fonctionnelles liées au cycle de l’azote a été proportionnelle à la quantité de composés azotés apportés. En parallèle, les concentrations en bactéries d’origines entériques n’ont pu être quantifiées et détectées que dans les sols irrigués par les eaux usées brutes et non dans les sols irrigués par les eaux usées traitées.Le réseau de micro-irrigation a été étudié à échelle réelle pendant 4 mois, en échantillonnant à la fois les goutteurs et les conduites ayant des goutteurs possédant des débits et des régimes d’écoulement différents. L’efficacité des réseaux d’irrigation n’a pas été impactée par les différentes qualités d’eau dans les conditions expérimentales étudiées : l’uniformité a été maintenue tout le long du réseau d’irrigation malgré la variabilité des conditions hydrodynamiques. La position sur le réseau (début, milieu et fin de ligne) n’impacte pas significativement le niveau de colmatage évalué par tomographie en cohérence optique (OCT) (dans des goutteurs possédant un accès optique) et par quantification des bactéries.Enfin, la dernière partie de la thèse s’est intéressée aux interactions entre l’eau en transit dans le système d’irrigation goutte à goutte et le développement du biofilm, afin d’évaluer si la présence des biofilms modifie le microbiome de l’eau en transit et les concentrations en bactéries indésirables (pathogènes entériques et espèces opportunistes). Les résultats ont montré que la structure des communautés bactériennes des eaux d’irrigations pouvait être influencée par les biofilms et que c'était plutôt le cas après plusieurs mois d’irrigation. Cependant cette modification n'entraîne pas de contamination supplémentaire des eaux d’irrigations par des pathogènes opportunistes tels que Legionella pneumophila ou Aeromonas hydrophyla. Alors qu’il pouvait y avoir une dégradation de la qualité microbiologique de l’eau provoquée par Escherichia coli dans le cas d’un biofilm plus mature où de plus fortes concentrations ont été trouvées dans les eaux de sortie. Ces travaux de thèse ont pour but d’approfondir les connaissances sur les risques écologiques, sanitaires et techniques de la réutilisation à l’échelle terrain.

Fichier principal
Vignette du fichier
MOULIA_2023_archivage.pdf (9.73 Mo) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)
Licence

Dates et versions

tel-04926021 , version 2 (03-02-2025)
tel-04926021 , version 1 (11-02-2025)

Licence

Identifiants

  • HAL Id : tel-04926021 , version 2

Citer

Vincent Moulia. Devenir des microbiomes le long du continuum eaux usées traitées/systèmes de micro-irrigation/sol. Microbiologie et Parasitologie. Université de Montpellier, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UMONG132⟩. ⟨tel-04926021v2⟩
298 Consultations
362 Téléchargements

Partager

  • More