Développement de cathodes microbiennes catalysant la réduction du dioxygène

Development of stainless steel microbial cathodes for microbial fuel cells

• Auteur / Autrice : Sandra Debuy
• Direction : Alain Bergel, Benjamin Erable
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 08/01/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés libres

Oxygène

Biocathode

Biofilm marin

Lactococcus lactis

Oxygen

Biocathode

Marine biofilm

Lactococcus lactis

Résumé

Depuis 2002 a émergé le concept de « catalyse électromicrobienne ». Cette même année, une équipe du LGC a démontré un phénomène de transfert d’électrons entre un biofilm aérobie marin et une cathode d’acier inoxydable. A partir de ces biofilms a été isolée une souche bactérienne, Algoriphagus yeomjeoni, pouvant former un biofilm électroactif monoespèce. Les objectifs de ce travail ont été de rechercher cette capacité à réduire du dioxygène chez des bactéries marines mais également chez une souche issue de l’industrie agroalimentaire Lactococcus lactis. La première partie de cette étude porte sur l’étude d’Algoriphagus yeomjeoni. Les essais électrochimiques ont eu lieu en eau de mer synthétique, dont on contrôle la composition. Aucune production de courant n’a pu être détectée même en repassant en eau de mer naturelle. La perte d’électroactivité de cette souche nous a amené à la deuxième partie de ce travail qui a été la recherche de nouveaux isolats bactériens électroactifs à partir d’un biofilm formé en milieu marin. La population microbienne de ce biofilm a été étudiée par pyroséquençage. Puis, quatre souches bactériennes ont pu être isolées et identifiées. Ces souches appartenant au genre Bacillus, Roseobacter, Pseudoalteromonas et Marinobacter ont toutes présentées des capacités de réduction du dioxygène à la cathode aussi bien en eau de mer naturelle qu’eau de mer synthétique. Enfin, des essais électrochimiques ont été réalisés avec Lactococcus lactis. Cette souche a présenté des capacités électrochimiques dans un compartiment anodique avec un record de performance de 400 mA.m-2. Et, pour la première fois, Lactococcus lactis a été capable de catalyser une réduction impliquant le dioxygène à une cathode avec une densité de courant maximale de 50 mA.m-2.

Since 2002 emerged the concept of ''microbial electro-catalysis''. That same year, a team from the Chemical Engineering Laboratory demonstrated a phenomenon of electron transfer between a marine aerobic biofilm and a stainless steel cathode. From these biofilms was isolated a bacterial strain Algoriphagus yeomjeoni which form a mono-species electroactive biofilm. The objectives of this work were to seek the ability to catalyze a reduction of oxygen amongst marine bacteria but also in a strain used in food industry Lactococcus lactis. The first part of this study focuses on the study of Algoriphagus yeomjeoni. Electrochemical tests were conduct in synthetic seawater, whose composition is controlled. No power generation could be detected even by returning in natural seawater. The loss of electroactivity of this strain led us to the second part of the work that has been looking for new electroactive bacterial isolates from a biofilm formed in a marine environment. This microbial population in this biofilm was studied by pyrosequencing. Then, four bacterial strains have been isolated and identified. These strains of the genus Bacillus, Roseobacter, Pseudoalteromonas and Marinobacter have all shown the ability to reduce the oxygen at the cathode in both natural and synthetic seawater. Finally, electrochemical tests were performed with, Lactococcus lactis. This strain showed electrochemical capacity in an anode compartment with a record performance up to 400 mA.m-2. Furthermore, and for the first time, Lactococcus lactis was able to catalyze the oxygen reduction involving a cathode with a maximum current density of 50 mA.m-2.