Fixation du biofilm dans un biofiltre MBBR
Les biofiltres à lit mobile, plus connus sous l'acronyme MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor), occupent aujourd'hui une place centrale dans les systèmes d'aquaculture en circuit fermé (RAS – Recirculating Aquaculture Systems), les aquariums publics, les écloseries, ainsi que dans de nombreuses installations de traitement des eaux. Leur principe repose sur l'utilisation de supports plastiques mobiles offrant une très grande surface spécifique destinée à accueillir un biofilm bactérien.
Contrairement à une idée largement répandue, ce ne sont pas les supports biologiques qui assurent directement l'épuration de l'eau. Leur rôle est uniquement de fournir un habitat favorable au développement des micro-organismes. La véritable filtration biologique est réalisée par le biofilm qui colonise ces supports. Cette communauté complexe de bactéries, de protozoaires et d'autres micro-organismes assure notamment la transformation de l'ammoniaque toxique rejeté par les poissons en nitrites, puis en nitrates, selon le processus de nitrification.
La qualité d'un biofiltre ne dépend donc pas uniquement de la quantité de médias installés. Elle résulte d'un équilibre subtil entre les caractéristiques des supports, l'hydrodynamique du réacteur, l'oxygénation, la charge organique, la température, le pH et les interactions biologiques qui s'établissent au sein du biofilm.
Comprendre les mécanismes qui gouvernent la fixation et la croissance du biofilm est indispensable pour concevoir un biofiltre performant, capable de garantir une qualité d'eau stable et de répondre aux exigences des élevages modernes. Cette connaissance permet également d'expliquer pourquoi deux biofiltres utilisant des supports similaires peuvent présenter des performances très différentes.
Dans ce premier article, nous nous intéresserons aux mécanismes de formation du biofilm, depuis l'adhésion des premières bactéries jusqu'à la constitution d'une communauté microbienne mature. Nous analyserons également les principaux facteurs influençant la colonisation des supports biologiques et les conséquences pratiques pour le dimensionnement des biofiltres MBBR.
Qu'est-ce qu'un biofilm ?
Le terme biofilm désigne une communauté organisée de micro-organismes fixés sur une surface solide et entourés d'une matrice protectrice qu'ils produisent eux-mêmes. Cette définition, en apparence simple, recouvre un système biologique d'une remarquable complexité.
Dans les milieux aquatiques, les biofilms sont omniprésents. Ils se développent naturellement sur les roches des rivières, les plantes aquatiques, les coques des navires, les conduites d'eau potable, les échangeurs thermiques ou encore les parois des bassins. Dès qu'une surface est immergée, elle devient progressivement colonisée par des micro-organismes.
Les supports biologiques utilisés dans les réacteurs MBBR exploitent précisément ce phénomène naturel. Leur géométrie a été conçue pour offrir une surface importante, protégée des frottements les plus violents, afin de favoriser l'installation durable du biofilm.
Contrairement à une représentation simplifiée, un biofilm n'est pas constitué uniquement de bactéries nitrifiantes. Il s'agit d'un véritable écosystème où cohabitent de nombreux organismes aux fonctions complémentaires.
On y retrouve notamment :
- des bactéries autotrophes responsables de la nitrification ;
- des bactéries hétérotrophes qui dégradent la matière organique dissoute ;
- des archées participant au cycle de l'azote ;
- des protozoaires qui régulent certaines populations bactériennes ;
- des champignons microscopiques ;
- parfois des algues ou des cyanobactéries lorsque le biofilm est exposé à la lumière.
Cette diversité biologique constitue l'un des principaux atouts des biofiltres MBBR. Chaque groupe d'organismes occupe une niche écologique particulière et participe à l'équilibre global du système.
Une matrice vivante : les EPS
L'élément le plus caractéristique d'un biofilm est la matrice extracellulaire qui enveloppe les micro-organismes. Cette substance est appelée EPS (Extracellular Polymeric Substances).
Les EPS représentent souvent plus de 80 % du volume total du biofilm. Les cellules bactériennes ne constituent finalement qu'une faible partie de l'ensemble.
Cette matrice est principalement composée :
- de polysaccharides ;
- de protéines ;
- de glycoprotéines ;
- de lipides ;
- d'ADN extracellulaire ;
- d'eau.
Les EPS remplissent plusieurs fonctions essentielles.
Ils assurent d'abord l'adhésion des bactéries au support biologique. Sans cette matrice, les micro-organismes seraient rapidement emportés par les mouvements d'eau.
Ils jouent également un rôle de protection contre les agressions extérieures : variations de température, fluctuations de pH, désinfectants, métaux lourds ou manque temporaire de nutriments.
Enfin, cette matrice agit comme une véritable structure tridimensionnelle permettant la circulation de l'eau au sein du biofilm grâce à un réseau complexe de micro-canaux.
On peut comparer les EPS au béton armé d'un immeuble : les bactéries en sont les occupants, tandis que la matrice constitue l'architecture qui maintient l'ensemble.
Pourquoi les bactéries vivent-elles en biofilm ?
La vie en biofilm présente de nombreux avantages par rapport à une vie libre dans l'eau.
Une bactérie isolée est particulièrement vulnérable aux variations de son environnement. En revanche, intégrée dans un biofilm, elle bénéficie de la protection offerte par la communauté.
Les échanges métaboliques deviennent également beaucoup plus efficaces. Certaines bactéries produisent des composés directement utilisés par leurs voisines. Les déchets des unes deviennent les nutriments des autres.
Ce fonctionnement coopératif améliore considérablement les performances biologiques du biofiltre.
Le biofilm constitue également un formidable système de communication. Les bactéries échangent en permanence des molécules de signalisation selon un mécanisme appelé quorum sensing. Ce processus leur permet de détecter la densité de population et de coordonner leur comportement.
Grâce à cette communication, les bactéries adaptent collectivement leur production d'EPS, leur vitesse de croissance ou encore leur activité métabolique en fonction des conditions environnementales.
Ainsi, un biofilm mature fonctionne davantage comme un organisme multicellulaire que comme une simple juxtaposition de bactéries indépendantes.
Le rôle du biofilm dans un biofiltre MBBR
Dans un système RAS, les poissons rejettent continuellement de l'ammoniaque par leurs branchies ainsi que par la dégradation des matières organiques issues des aliments et des fèces.
Bureau d'études aquaculture RAS
Sous sa forme non ionisée (NH₃), l'ammoniaque est particulièrement toxique pour les poissons, même à de faibles concentrations. Il est donc indispensable de le transformer rapidement en composés moins nocifs.
Cette transformation est assurée par les bactéries nitrifiantes installées dans le biofilm.
Dans une première étape, l'ammonium est oxydé en nitrites par des bactéries appartenant principalement aux genres Nitrosomonas, Nitrosospira et à certaines archées oxydant l'ammoniac.
Les nitrites, eux aussi toxiques, sont ensuite convertis en nitrates par des bactéries telles que Nitrospira et Nitrobacter.
Les nitrates sont beaucoup moins toxiques et peuvent être éliminés par renouvellement d'eau ou par des procédés de dénitrification.
Ainsi, le biofilm constitue le véritable cœur biologique du système de recirculation.
Sans lui, les supports MBBR ne sont que des éléments plastiques en mouvement, incapables d'assurer la moindre transformation biologique.
VOIR LES DIFFERENTS MEDIAS BIOLOGIQUES MBBR
La performance d'un biofiltre dépend donc avant tout de la qualité, de la stabilité et de la diversité du biofilm qui s'y développe.
Dans la partie 2, nous aborderons les mécanismes d'adhésion des premières bactéries, les phénomènes physico-chimiques qui conditionnent la colonisation des supports MBBR et les premières étapes de formation du biofilm. Cette partie entrera davantage dans les aspects scientifiques de l'adhésion bactérienne tout en restant accessible aux exploitants et aux concepteurs d'installations.