Le biotope principal de la fosse toutes eaux : la boue avec ses deux sousbiotopes, la surface du voile de boue et le fond de la fosse, est examiné en hiver (température froide) au moyen de l'analyse biologique. La surface du voile de boue est un biotope microaérophile en relation d'échange avec l'eau de la fosse. Ce sous-biotope est peuplé d'une microfaune saprobe de Trepomonas agilis. Le fond de la fosse est anaérobie. La distribution des suspensions caractéristiques de la fosse, les fibres cellulosiques et les plaquettes protéiques (fibres musculaires) est étudiée et discutée. Les effectifs bactériens méthanogènes sont inactifs et rares en hiver. L'ATPmétrie confirme les données de l'analyse biologique en montrant les sites actifs biologiquement.
Depuis l’invention de Louis Mouras en 1881, la fosse septique a engendré une descendance « biblique » : fosse Imhoff, décanteurs primaires, digesteurs anaérobies, etc. Malgré l’extraordinaire fécondité du procédé, la fosse septique « patriarche » a fait l'objet de peu d’analyses biologiques. Le groupe de recherche ISAEU s'efforce de combler les lacunes en la matière et c’est dans son cadre que la présente étude est faite. Les buts de la présente étude consistent à appliquer l'analyse biologique au principal biotope de la fosse toutes eaux, la boue, en vue d’affiner la compréhension de son fonctionnement.
Méthode
Une fosse toutes eaux parfaitement contrôlée du centre de recherche Eparco à Mèze a été mise à la disposition de l’étude. Seul le biotope boue de la fosse a été étudié. Dix prélèvements ont été faits le long de l'axe de la fosse à égale distance l'un de l'autre, soit environ tous les 40 cm, dont cinq prélèvements en surface du voile de boue désignés par S1, S2, S3, S4, S5 et cinq en profondeur désignés F1, F2, F3, F4, F5. Les analyses suivantes sont immédiatement pratiquées sur les échantillons prélevés : MS, MV, NTK, NNH₄, pH, mVolt et analyse biologique. Les prélèvements ont été faits le 25 janvier 2010 à Mèze dans l'Hérault, donc pendant la période froide du cycle de la fosse, mais un froid sans excès de l’ordre de 15 °C en moyenne hebdomadaire.
Résultats
Très forte corrélation entre le nombre de
Analyses chimiques des boues de fosse surface & fond
| n° de prélèvement | pH | Redox (mV) | MS (g/l) | MV (%MS) | NTK (mg/l) |
|---|---|---|---|---|---|
| S1 | 5,8 | 228 | 42,5 | 84,7 | 869,4 |
| S2 | 6,6 | 311 | 18,6 | 78,5 | 623,0 |
| S3 | 6,6 | -285 | 11,7 | 75,4 | 491,4 |
| S4 | 6,7 | 292 | 16,0 | 75,8 | 546,0 |
| S5 | 6,6 | 288 | 24,9 | 71,6 | 1145,0 |
| F1 | 6,3 | -313 | 56,5 | 64,2 | 1615,6 |
| F2 | 6,6 | 266 | 52,1 | 72,5 | 1681,4 |
| F3 | 6,6 | -278 | 32,6 | 66,4 | 1512,0 |
| F4 | 6,6 | 275 | 29,4 | 66,0 | 1320,2 |
| F5 | 6,6 | 285 | 30,6 | 65,9 | 1356,6 |
Trepomonas et la concentration en MS au sens que plus la boue est concentrée, moins elle est colonisée par Trepomonas. Ceci est visible en surface du voile de boue plus ou moins pénétré par Trepomonas agilis en fonction de la concentration des boues (figure 3).
Le genre Trepomonas, ici l’espèce étant Trepomonas agilis reconnaissable à la seule et forte paire de flagelles, est un flagellé indicateur de milieu saprobe microaérophile, à déplacement caractéristique en vrille. Il est bactériophage. Ses proies sont des bactéries libres de petite taille. Il peut supporter des temps d’anaérobiose limités mais n’est pas anaérobie permanent (stricte).
L'eau interstitielle est riche en bactéries libres produites par les fermentations du milieu et des bactéries fécales des suspensions décantées. Ces bactéries sont la proie des Trepomonas. Le milieu est microaérophile, en fonction des chasses d'eau qui distribuent en quelque sorte des bouffées d’oxygène rapidement consommé mais suffisant pour empêcher l'installation de l'anaérobiose stricte. Le fond de fosse par contre est totalement inaccessible à l’oxygène des eaux de chasse et des conditions strictes d’anaérobiose y règnent. C'est là que les bactéries méthanogènes trouveront leur croissance lorsque la température de la fosse s'élèvera en été.
| n° de prélèvement | MS (g/l) | filaments bactériens (nb/g×10³) | fibres cellulosiques (nb/g×10³) | plaquettes protéiques (nb/g×10³) | Flagellés Trepomonas (nb/g×10³) |
|---|---|---|---|---|---|
| S1 | 42,5 | 37,6 | 338 | 69 | 94 |
| S2 | 18,6 | 315 | 243 | 215 | 344 |
| S3 | 11,7 | 473 | 227 | 501 | 888 |
| S4 | 16,0 | 400 | 150 | 233 | 750 |
| S5 | 24,9 | 299 | 139 | 428 | 96 |
| F1 | 56,5 | 127 | 250 | 283 | 0 |
| F2 | 52,1 | 66,5 | 51 | 230 | 0 |
| F3 | 32,6 | 106 | 98 | 425 | 0 |
| F4 | 29,4 | 81 | 81 | 308 | 0 |
| F5 | 30,6 | 111 | 91 | 490 | 0 |
Analyses microscopiques de la boue de fosse surface & fond
Le fond de la fosse ne présente aucun Trepomonas. Les conditions du fond sont donc radicalement différentes des conditions biologiques de la surface du voile de boue.
La distribution des bioindicateurs flagellés Trepomonas s'interprète comme suit : en surface du voile de boue, le biotope est une boue fraîchement déposée, peu dense, mais suffisamment cohérente pour ne pas être entraînée par le flux d'eau de chasse. Dans ce biotope de boue de surface des Protozoaires peuvent facilement évoluer entre les amas floculés de matière. L’eau est présente à l'état de trace et à des concentrations variables au cours de la journée.
Les deux courbes (figure 7) montrent une concentration des fibres du même ordre de grandeur exprimée en nombre/gMS. Les fibres proviennent surtout du papier hygiénique et un peu des fibres végétales non digérées. Elles décantent dans la fosse. Ces fibres bien que cellulosiques s'avèrent être peu biodégradables ou plutôt lentement biodégradables. Les conditions de biodégradabilité de ces fibres sont connues : température élevée, méthanogenèse et concentration d’enzymes actives.
On sait d’autre part que la dégradation des fibres s’accompagne de production d’acides gras volatils qui, s’ils ne sont pas immédiatement consommés par la méthanogenèse, s’accumulent dans le milieu et modifient son pH d’où un effet négatif sur la croissance des bactéries et sur l'activité enzymatique.
La présence de beaucoup de fibres en surface du voile de boue s’explique par l’apport quotidien en surface de nouvelles fibres et le nombre plutôt inférieur par rapport aux MS dans le fond de fosse s’explique par une biodégradation plus ou moins active selon les conditions saisonnières.
Les fibres sur les bords de lamelle en contact avec l'air ou la migration autour de bulles d’air, toujours sur lame d’observation microscopique, montrent que ces longs bâtonnets sont aérophiles mais résistants aux conditions carencées en oxygène, qui règnent en surface de la boue. Cette indication corrobore la présence de nombreux Treponomas.
* On sait que les plaquettes protéiques appelées classiquement fibres musculaires partiellement digérées sont représentatives de l'excrément. Elles sont peu biodégradables du fait de divers sels biliaires qui les colorent en jaune. Elles décantent lentement ayant des tailles comprises entre 20 et 200 µ et s'accumulent dans la boue des fosses. Le comptage des plaquettes est rapide car elles sont très faciles à reconnaître par la couleur et la striation de surface. Nous ne pouvons compter d’ailleurs que les plaquettes reconnaissables et négligeons les fragments biodégradés de plaquettes non identifiables.
* La courbe des numérations des plaquettes montre une répartition bien erratique sans indication d’un rapport entre MS et concentration.
La courbe (figure 8) montre une nette distribution des bactéries filamenteuses ou longs bâtonnets mobiles en surface du voile de boue et lorsque la boue n'est pas concentrée.
* Cette distribution suggère que les bactéries en question ont leur habitat préférentiel à l'interface boue/eau de la fosse, en conditions microaérophiles.
* Le test simple de tropisme aérophile, consistant à noter la migration des bactéries.
• La même fourchette de dispersion des mesures se retrouve en surface du voile de boue et au fond de fosse.
• On peut penser que les plaquettes décantent et se retrouvent plus concentrées dans la boue du fond. Mais des facteurs physiques et biologiques bousculent ce raisonnement simpliste. D’abord, la biodégradation doit être plus prononcée dans le fond de fosse puisque le temps de résidence est plus long, ce qui tend à diminuer la valeur du rapport nombre/gMS et neutralise en somme l’accumulation des plaquettes due à la décantation. Le fait qu’en surface du voile de boue le rapport nombre/gMS est voisin de celui du fond de fosse s’explique peut-être par l’apport permanent de nouvelles plaquettes fraîches bien que la concentration de boue soit plus faible.
Nous avons essayé d’appliquer un test de mesure de l’effectif bactérien méthanogène sur les deux types de boue de la fosse prélevés, rappelons-le, fin janvier. L’unité utilisée pour l’interprétation est le millilitre de méthane pur produit par gramme de MS et par jour. Le principe du test consiste à incuber dans des petits flacons un ensemencement de boue à tester enrichi en cellulose (C’) et nutriments en sorte que la production de méthane dépende de la seule concentration initiale de germes méthanifères présents dans l’échantillon.
Méthanogénèse
| Prélèvement | Méthane (C+ ml/l) | Méthane (C– ml/l) | MS g/l |
|---|---|---|---|
| S1 | 1,6 | 0,037 | 42,5 |
| S2 | 2,01 | 0,038 | 18,6 |
| S3 | 1,35 | 0,115 | 11,7 |
| S4 | 1,75 | 0,099 | 16 |
| F1 | 3,41 | 0,053 | 56,5 |
| F2 | 1,29 | 0,039 | 32,8 |
| F3 | 1,38 | 0,046 | 29,4 |
| F5 | 1,74 | 0,056 | 30,6 |
ATP-métrie boues de fosse
L’ATP est une molécule synthétisée et utilisée dans la cellule des microorganismes pour capter l’énergie chimique de la biodégradation des nutriments organiques et pour fournir l’énergie nécessaire à leur croissance cellulaire. Des équipements sont actuellement disponibles qui permettent, dans de bonnes conditions de répétabilité et de rapidité, de mesurer l’ATP dans une biomasse. C’est donc une mesure de l’activité métabolique globale d’une biomasse. La méthode permet de distinguer l’ATP extracellulaire provenant de cellules mortes et l’ATP réellement actif, celui des cellules vivantes.
Les résultats sont exprimés en nanogrammes d’ATP par gramme de matière sèche, ng/gMS.
| Points de prélèvement | ATP cellulaire ng/ml | Mortalité en % | ATP cellulaire ng/gMS |
|---|---|---|---|
| S1 | 676 | 29,4 | 42,5 |
| S2 | 580 | 41,2 | 18,6 |
| S3 | 515,8 | 27,3 | 17,4 |
| S4 | 739,4 | 33 | 16 |
| S5 | 780,9 | 28,4 | 24,9 |
| F1 | 589 | 28,4 | 56,5 |
| F2 | 354,8 | 28 | 52,1 |
| F3 | 265,9 | 25,5 | 32,6 |
| F4 | 287,1 | 26,1 | 29,4 |
| F5 | 316,9 | 27,9 | 30,6 |
Le tableau ci-dessus et la courbe correspondante montrent que :
• L’activité ATP est concentrée en surface du voile de boue. C’est là que la biosynthèse et la biodégradation sont prépondérantes.
• En surface du voile de boue, l’activité ATP est d’autant plus élevée que la boue est peu concentrée, c’est-à-dire d’autant plus élevée que la boue est prélevée au contact de l’eau surnageante. C’est le biotope que nous avons reconnu précédemment, contenant bactéries en bâtonnets mobiles et Trepomonas.
• Le fond de la fosse contient une boue plus épaisse qu’en surface du voile de boue mais possédant moins de microorganismes actifs générateurs d’ATP.
[Figure 12 : ATP/MS surface et fond de fosse.]
Cette situation est celle de l’hiver et n’est pas forcément celle d’été où les bactéries méthanifères se développent. On remarque que la teneur ATP/gMS est stable dans le fond de fosse, signifiant que les suspensions décantées ont à peu près les mêmes degrés de colonisation bactérienne et donc les mêmes degrés de stabilisation sur l’ensemble de la surface du fond de fosse.
Conclusions
L'analyse biologique des biotopes de fosse toutes eaux donne une lecture différente des analyses chimiques conventionnelles. Elle montre que sur prélèvement d’hiver la surface du voile de boue est microaérophile, colonisée par une microfaune caractéristique, que le fond de fosse est anaérobie mais non actif méthanogène. Les éléments figurés, plaquettes protéiques, fibres cellulosiques, non ou faiblement biodégradables sont des éléments qui participent à la biologie de la boue et leur devenir dans la fosse est discuté. Elle met en évidence les habitats (biotopes) spécifiquement colonisés par des microorganismes adaptés qui informent l’analyste sur les propriétés du milieu, sur leurs cycles et donc sur l'activité épuratrice de la fosse. L'ATP-métrie confirme les observations en montrant les biotopes actifs de la fosse.
Nous remercions la société Eparco d'avoir mis à la disposition de l’étude une fosse du centre de recherche de Mèze, ainsi que la société Aqua-Tools, prêteur des réactifs et matériel d’analyse ATP.
[Figure 13 : Équipement pour mesures ATP.]
Références bibliographiques
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