Effets des antibiotiques sur le procédé d'épuration par boues activées. : étude du cas de l'érythromycine, du floc bactérien au réacteur biologique, Effects of antibiotics on activated sludge process. : the Erythromycine case, from activated sludge flocs to the biological reactor

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole Doctorale Ressources Procédés Produits Environnement (RP2E)


THÈSE

Présentée et soutenue publiquement le 09/11/2010
pour l’obtention du grade de Docteur de l’INPL
(Spécialité Génie des Procédés et des Produits)

par

Jean-Noël LOUVET


Effets des antibiotiques sur le procédé d’épuration par
boues activées. Etude du cas de l’érythromycine,
du floc bactérien au réacteur biologique



Composition du jury :

Rapporteurs : Christophe DAGOT, ENSIL, Limoges
Eberhard MORGENROTH, ETH, Zürich (Suisse)
A
Examinateurs : Yolaine BESSIERE, INSA, Toulouse
Marie-Noëlle PONS, CNRS, LRGP, Nancy (directeur de thèse)
Olivier POTIER, ENSGSI, Nancy (co-directeur de thèse)
Ganesh SOCKALINGUM, Université de Reims Champagne-Ardenne

Membre Invité : Dominique DUMAS, Faculté de Médecine, Nancy Université


Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (UPR 3349 CNRS)

























































Contact : jn.louvet@gmail.com





























« Il y a sur terre deux choses précieuses. La Première c’est l’amour, la seconde,
bien loin derrière, c’est l’intelligence. Amour et intelligence ne se séparent
d’ailleurs pas à qui en entend bien le sens. »

Gaston Berger








Remerciements

Je remercie Michel SARDIN directeur du LSGC et Gabriel WILD directeur du LRGP de
m’avoir acceuilli au sein de leur laboratoire et permis d’y développer ce travail de thèse dans
le cadre du projet ANR-Antibi-eau.

Je remercie tout particulièrement mes directeurs de thèse Marie-Noëlle PONS et Olivier
POTIER pour leur gentillesse, le temps qu’ils m’ont accordé et les conseils qu’ils m’ont
donnés.

Marie-Noëlle PONS avait imaginé un projet de recherche original et ambitieux qui a été le fil
directeur de ce travail de thèse. Marie-Noëlle a toujours veillé à ce que mon travail s’effectue
dans les meilleures conditions et a toujours apporté réponse à mes questions. Je la remercie
également de m’avoir permis de défendre mon travail lors de congrès internationaux.

Olivier POTIER s’est également beaucoup investi pour la réussite de mon travail de thèse. Il
m’a transmis son enthousiasme pour la recherche et a apporté une vision originale sur les
résultats. De plus il a été l’exemple que j’ai essayé de suivre lors des enseignements à
l’ENSGSI.

Je remercie Dominique DUMAS pour m’avoir enseigné la microscopie confocale et fait
confiance quant à l’utilisation des microscopes. Une grande partie des résultats est liée aux
compétences et à l’implication de Dominique dans le projet de recherche.

Je remercie également les autres membres du jury qui ont accepté de juger mon travail ;
Le Professeur Christophe DAGOT que j’ai rencontré à de nombreuses reprises et toujours
avec grand plaisir. Yolaine BESSIERE et Eberhard MORGENROTH qui m’ont également
fait l’honneur de juger mon travail et de participer à mon jury de thèse. Ganesh
SOCKALINGUM était membre du jury et membre du projet de recherche et a permis
l’utilisation de la microspectroscopie infrarouge et Raman.

Je remercie Tatiana GÖRNER et Catalina AVELLA pour le travail effectué au LEM
concernant la caractérisation des exopolymères bactériens dans le cadre du projet ANR
Antibi-eau.

Je remercie Jean-Pierre LECLERC et François LAPICQUE pour leur aide concernant les
articles sur l’électrocoagulation. Je remercie Christophe MERLIN pour ses conseils.

Je remercie Steve PONTVIANNE pour son rôle clé dans le laboratoire d’analyse des eaux et
en particulier pour son aide avec la chromatographie ionique.

Je remercie l’ensemble des doctorants que j’ai cotoyés, en particuliers ceux qui ont travaillé
sur le traitement de l’eau. Nous étions une très belle promotion ! Salim ZODI, ou dois-je dire
Professeur ZODI, a grandement contribué à la réussite de mon travail, il m’a donné de
précieux conseils tant sur le plan scientifique que sportif ! Muatasem ALNNASOURI, souris
à la vie, toujours de bon conseils. Clémence MICHON, dis nous où se cache l’arsenic ! Rania
ATTIK, post-doctorante membre du projet ANR Antibi-eau, avec qui j’ai eu le bonheur
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d’effectuer de très belles images. Yann LE MOULLEC, merci pour tout ce que tu m’as appris
et ton classeur excel magique !

Je remercie l’ensemble des stagières qui m’ont aidé dans mon travail en particulier Cinzia
GIAMMARINO et Yannick HELUIN.

Je remercie mes parents qui ont toujours été exemplaires et m’ont permis d’effectuer des
longues études.








Je remercie Déborah, le rayon de soleil qui illumine ma vie.


































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Résumé






Effets des antibiotiques sur le procédé d’épuration par boues activées. Etude du cas de
l’érythromycine, du floc bactérien au réacteur biologique

L’objectif de ce travail est de caractériser l’effet de l’érythromycine sur l’activité bactérienne
et l’inhibition de l’épuration dans les réacteurs de traitement des eaux usées urbaines.
L’étude a montré l’importance du temps d’exposition à l’érythromycine. L’inhibition de la
nitrification et de l’épuration de la DCO a été mesurée sur une période de 4 h pour des
concentrations supérieures à 1 mg/L d’érythromycine alors que l’inhibition de l’épuration
pour une concentration d’érythromycine de 4 µg/L a été mesurée suite à 20 h d’exposition.
L’origine de la liqueur mixte est également déterminante : l’érythromycine a inhibé la
nitrification avec les boues de Nancy mais n’a pas inhibé la nitrification avec les boues et
d’Epinal. Par contre, l’inhibition de l’épuration de la DCO a été mesurée pour les deux
boues. Des analyses microscopiques ont montré qu’en présence d’érythromycine les flocs
bactériens se fractionnaient suite aux lyses bactériennes. La microscopie en épifluorescence et
la microscopie confocale combinées à des marqueurs de viabilité fluorescents ont permis de
déterminer les vitesses de mortalité bactérienne. Ces études ont mis en évidence un temps de
latence qui précède la mortalité des bactéries. Ce temps de latence pourrait être lié aux
mécanismes d’adsorption de l’antibiotique et de diffusion dans les flocs, ainsi qu’à la vitesse
biologique de mortalité. Enfin, un marquage simultané Gram et viabilité (microscopie
confocale 3D au cours du temps) a montré que l’érythromycine pourrait modifier la
composition bactérienne des boues en sélectionnant les bactéries les moins sensibles.


Mots clés : boues activées, antibiotiques, microscopie, viabilité,