Etude et contrôle de la fermentation électro-assistée en cultures mixtes ˸ rôle et ingénierie des interactions microbiennes

Study and control of electro-assisted fermentation in mixed cultures˸ role of microbial interactions and engineering

• Auteur / Autrice : Javiera Toledo alarcon
• Direction : Nicolas Bernet, Eric Trably
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie et Microbiologie
• Date : Soutenance le 28/09/2018
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne)
• Jury : Président / Présidente : Eric Dubreucq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Bernet, Eric Trably, Eric Dubreucq, Benjamin Erable, Pierre Fontanille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Erable, Pierre Fontanille

Mots clés

Mots clés libres

Production de biohydrogène

Fermentation électro-Assistée

Interaction microbienne

Biohydrogen production

Fermentation electrically assisted

Microbial interaction

Résumé

La fermentation sombre (DF) est un procédé biologique largement utilisé pour la production d'hydrogène (H2). Dans ce processus, une grande variété de substrats pourrait être utilisée, y compris des substrats simples comme le glucose ou des complexes comme les effluents industriels. En outre, des cultures pures et mixtes peuvent être utilisées comme inoculum, mais ces dernières sont très attrayantes parce des systèmes plus robustes sont obtenus. Cependant, les producteurs et les consommateurs d'H2 coexistent, de sorte que l'inoculum mixte est souvent pré-traité pour inhiber l'activité des micro-organismes consommateurs d'H2. D'autre part, les paramètres opérationnels tels que le pH et la température jouent un rôle clé dans la sélection de la communauté bactérienne productrice de H2. Jusqu'à présent, de grands efforts ont été faits pour optimiser les paramètres opérationnels, mais quelques contrôleurs sont disponibles pour maintenir la stabilité du DF, c'est-à-dire la production de H2 et de métabolites. Dans ce contexte, l'électrofermentation (EF) est proposée comme nouvel outil de contrôle des bioprocédés par le biais d'électrodes polarisées. Selon la voltage appliqué, l'EF peut se situer au niveau de l'anode ou de la cathode, agissant respectivement comme dissipateur d'électrons ou comme source d'énergie supplémentaire. Des densités de courant élevées ne sont pas nécessaires pour avoir un impact significatif sur le métabolisme cellulaire car le courant électrique n'est pas la principale source d'électrons, ni le produit d'intérêt. Les mécanismes d'action derrière l'EF sont encore inconnus, mais les interactions microbiennes entre les bactéries fermentaires et électroactives peuvent être la clé. Ainsi, l'objectif de cette thèse est : ''Meilleure compréhension des mécanismes EF par la caractérisation des interactions microbiennes inter-espèces ainsi que des interactions avec l'électrode polarisée''. Nos principaux résultats montrent que les électrodes polarisées permettent de sélectionner les bactéries productrices de H2, en particulier les entérobactéries et les Clostridiaceae. Cette sélection a conduit à une augmentation significative de la production de H2 et de butyrate, au détriment de la production de lactate. Ensuite, lorsque différents inoculum ont été utilisés pendant l'EF, 3 comportements différents ont été observés par comparaison avec la fermentation conventionnelle : une augmentation, une diminution ou aucun effet sur la production de H2. Preuve que la composition de la communauté microbienne de l'inoculum, et en particulier l'abondance relative de la famille des Clostridiaceae, affecte significativement le comportement de l'EF, c'est-à-dire la communauté microbienne finale et les patrons métaboliques. Enfin, lorsque la production de H2 par fermentation sombre conventionnelle a été étudiée, en utilisant un inoculum mixte enrichi en G. sulfurreducens (bactéries électroactives connues), un changement dans les voies métaboliques vers une production plus élevée de H2 et de butyrate a été observé, au détriment de la production de 2,3-butanediol. Ce changement a été associé à une augmentation de l'abondance relative de la famille des Clostridiaceae à la fin de la fermentation, probablement en raison de la croissance coopérative que G. sulfurreducens a réalisée avec les membres de la famille des Clostridiaceae. Globalement, le procédé EF a montré son potentiel en tant que nouveau type de contrôle pour les bioprocédés de cultures mixtes avec des effets significatifs des électrodes polarisées sur la fermentation du glucose. Cependant, il reste encore beaucoup de recherches à faire, en particulier sur les interactions microbiennes.

Dark fermentation (DF) is a biological process widely used for hydrogen (H2) production. In this process a wide variety of substrates could be used including simple substrates such as glucose or complexes such as industrial wastewater. In addition, pure and mixed cultures can be used as inoculum, but the latter are very attractive because more robust systems are obtained. However, producers and consumers of H2 coexist, so that the mixed inoculum is often pre-treated to inhibit the H2-consuming microorganisms activity. On the other hand, operational parameters such as pH and temperature play a key role in the selection of H2-producing bacterial community. To date, great efforts have been made to optimize the operational parameters, however, a few controllers are available to maintain the DF stable, i.e. H2 and metabolites production. In this context, electro-fermentation (EF) is proposed as a new tool to control bioprocesses through polarized electrodes. Depending on the voltage applied, the EF can occur at the anode or cathode, acting as electron sink or additional source of energy, respectively. High current densities are not necessary to have a significant impact on cell metabolism because electric current is not the main electrons source, nor is it the interest product. The action mechanisms behind EF are still unknown, but microbial interactions between fermentative and electroactive bacteria may be the key. Thus, the objective of this thesis is: ''Better understanding of the EF mechanisms through the characterization of microbial interspecies-interactions as well as interactions with the polarized electrode''. Our results show that polarized electrodes allow the selection of H2-producing bacteria, particularly from Enterobacteriaceae and Clostridiaceae families. This selection led to a significant increase in the H2 and butyrate production, at the expense of lactate production. Then, when different inoculum were used during EF, 3 different behaviour were observed compared to conventional fermentation: an increase, a decreased or no effect in the H2 production. Evidence that the inoculum microbial community composition, and particularly the relative abundance of the Clostridiaceae family, significantly affects the EF behaviour, i.e. the final microbial community and metabolic patterns. Finally, when the H2 production by conventional dark fermentation was studied, using a mixed inoculum enriched with G. sulfurreducens (known electroactive bacteria), a change in the metabolic pathways towards a higher H2 and butyrate production was observed, at the expense of 2,3-butanediol production. This change was associated with an increase in the relative abundance of Clostridiaceae family at the end of fermentation, probably due to the cooperative growth that G. sulfurreducens achieved with members of the Clostridiaceae family. Overall, EF process has shown its potential as a new type of control for mixed-culture bioprocesses with significant effects of polarized electrodes on glucose fermentation. However, much research remains to be done, especially focused on microbial interactions.