Modélisation du processus d’inactivation d’une souche de Vibrio et de désinfection de l’eau par photo-réaction oxydative

https://www.univ-perp.fr/recherche/structures-de-recherche/ihpe

https://www.promes.cnrs.fr/promes/presentation-generale/

Les photo-réacteurs oxydatifs, classés parmi les procédés d’oxydation, sont des technologies de traitement des contaminants abiotiques (détoxification) et biotiques (désinfection). Ces technologies, basées sur le principe de la photo-conversion, offrent la possibilité d’utiliser la ressource solaire. Le principe consiste à photo-exciter des catalyseurs solides (photocatalyse hétérogène), via un flux de photons, pour produire des charges qui initient la formation d’espèces radicalaires. Les espèces radicalaires photo-induites sont capables de rompre les chaines carbonées des différentes cibles organiques. Elles sont particulièrement efficaces pour désinfecter différentes cibles biotiques (microorganismes de type bactéries ou virus), pathogènes potentiels contenus dans les eaux destinées à diverses applications : réutilisation des eaux usées pour irrigation, biosécurisation, aquaculture, eaux industrielles. La qualité des eaux et l’efficacité du traitement sont définis par la présence et la concentration en différentes cibles biotiques. Quelle que soit l’application, la capacité de désinfection du photo-réacteur est évaluée par le nombre de cibles inactivées au cours du traitement. Le processus d’inactivation est complexe et se déroule en plusieurs étapes d’altération des parois ou membranes cellulaires, jusqu’à l’inactivation complète des microorganismes et la dégradation du matériel génétique. Cela implique de multiples attaques radicalaires qui conduisent à la dégradation partielle puis totale des cibles sans que le mécanisme ne soit totalement connu. Pour décrire les capacités de désinfection biotique d’un photo-réacteur, les modèles actuels décrivant le processus de dégradation de molécules simples ne sont pas adaptés. Ce sont des modèles représentatifs des couplages réactionnels et de transfert de matière, mais qui ne rendent compte ni de la dynamique de la population microbienne cible, ni de la succession d’étapes conduisant à l’inactivation d’un micro-organisme unicellulaire.

Dans ce contexte, l’objectif de la proposition de stage est de mettre en place une approche de modélisation basée sur des représentations de la démographie bactérienne et de l’effet des traitements photo-oxydatifs afin de prédire les cinétiques de désinfection de l’eau au sein d’un dispositif expérimental. Des résultats issus de travaux expérimentaux antérieurs sont disponibles pour développer ces nouveaux modèles. Ces expériences ont consisté à mesurer la concentration en bactéries du genre Vibrio dans le photo-réacteur soumis à différentes conditions opératoires de traitement (niveau de concentration, densité de flux).

La première partie du travail visera à s’approprier le sujet et la problématique (1mois). Elle consistera, à comprendre le processus photo-chimique permettant la production de radicaux, ainsi que les mécanismes de dégradation de cellules par attaque radicalaire. Il s’agira également de prendre connaissance du fonctionnement du photo-réacteur et des conditions expérimentales appliquées pour obtenir les résultats expérimentaux, ainsi que proposer une revue de la littérature afin d’identifier les modèles déjà développés pour représenter le traitement de populations de micro-organismes par photo-oxydation.

La deuxième partie, qui sera le cœur du sujet, visera à développer la nouvelle approche de modélisation. Il faudra pour cela construire des modèles à compartiments permettant de représenter le dispositif expérimental, la démographie bactérienne et les étapes d’inactivation identifiées dans la première partie du stage. Ces modèles pourront être analysés par des méthodes classiques relevant de l’étude des systèmes dynamiques et ajustés aux données expérimentales disponibles (4mois)

La troisième partie (1mois), qui dépendra de l’avancement des travaux et des besoins, consistera à conduire de nouvelles expérimentations sur le photo-réacteur pour acquérir de nouvelles données pour valider les prédictions du modèle sur la base de jeux de données indépendant..

Le candidat devra afficher un fort intérêt pour la modélisation, des compétences mathématiques permettant l’analyse des systèmes dynamiques,  et des connaissances de base en biologie/microbiologie. Une coloration en génie des procédés ou catalyse hétérogène serait un plus.

Tâches à effectuer

• Compréhension des processus mis en jeu
• Recherche bibliographique sur les outils/modèles clefs
• Développement outil numérique pour l’analyse et l’ajustement des modèles développés