Couplage de la fermentation sombre et de la culture de microalgues : facteurs d'inhibition sur la croissance mixotrophe et réponses métaboliques au butyrate

Coupling dark fermentation with microalgae cultivation : mixotrophic growth inhibition factors and metabolic responses to butyrate

• Auteur / Autrice : Julien Lacroux
• Direction : Jean-Philippe Steyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie et Microbiologie
• Date : Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LBE - Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement
• Jury : Président / Présidente : Carole Molina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Steyer, Yonghua Li-Beisson, Jack Legrand, Eric Trably, Maëva Subileau, Jean-François Sassi, Robert Van Lis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yonghua Li-Beisson, Jack Legrand

Mots clés

Mots clés libres

Acétate

Butyrate

Fermentation sombre

Inhibition

Microalgue

Mixotrophie

Acetate

Butyrate

Dark fermentation

Inhibition

Microalgae

Mixotrophy

Résumé

La fermentation sombre combine le traitement de déchets organiques avec la production d'hydrogène. Le processus conduit à la co-production d'un effluent liquide riche en molécules organiques, telles que l'acétate et le butyrate. Ces molécules représentent des opportunités pour la bioéconomie notamment en tant que substrats de faibles coûts pour la culture de divers micro-organismes, comme celle des microalgues. En effet, l'acétate est un substrat organique simple facilement assimilable par ces espèces. En revanche, l'inhibition par les substrats et la consommation lente du butyrate restreignent l'utilisation de ces substrats à de faibles concentrations. Les objectifs de ces travaux de thèse ont donc été de déterminer les causes d'inhibition afin d'évaluer le potentiel de production de microalgues sur des effluents de FS. A cet effet, l'effet de différents paramètres abiotiques sur la croissance mixotrophe des microalgues a été étudié. L'inhibition de la croissance est principalement due aux formes non dissociées des acides. Si les inhibitions peuvent être levées par le contrôle de certains paramètres-clé comme le pH ou la concentration, la dégradation du butyrate par Chlorella sorokiniana reste dix fois plus faible que celle de l'acétate. Une exploration de la diversité microalgale a par la suite confirmé que seules quelques espèces pouvaient assimiler le butyrate efficacement. Parmi celles-ci, la souche purement hétérotrophe Polytomella sp. a présenté un taux de croissance cinq fois plus élevé que les autres espèces. La souche a donc servi d'organisme modèle pour des études métaboliques complémentaires : son métabolisme du butyrate a été élucidé grâce à des approches protéomiques. L'espèce assimile le butyrate par voie de β-oxydation dans le péroxysome et surexprime certaines protéines impliquées dans la résistante au stress oxydatif.

Dark fermentation is a biological process combining organic waste treatment with the production of hydrogen. The process also leads to the coproduction of a liquid organic rich effluent, mainly composed of acetate and butyrate. These molecules represent opportunities for the bioeconomy as cheap substrates for the cultivation of various micro-organisms such as microalgae. Acetate is indeed a simple organic substrate, easily consumable by these species. Their use is however restricted by the slow consumption of butyrate and substrates inhibition at concentrations usually lower than those found in fermentation effluents. The goals of this PhD thesis were thus to determine the causes of this inhibition in order to evaluate the production potential of microalgae on DF effluents. To meet these goals, the effect of various abiotic parameters on mixotrophic microalgae growth was assessed. Growth inhibition is mainly due to an excess of undissociated acid concentration. If inhibitions can be alleviated by controlling key factors such as pH or concentration, butyrate degradation by Chlorella sorokiniana remains ten times lower than that of acetate. Exploration of microalgal diversity confirmed that only few species can assimilate butyrate efficiently. Among them, the purely heterotrophic strain Polytomella sp. was found to be the fastest, displaying a growth rate on butyrate five times higher than other species. This strain served thus as a model organism for further metabolic studies: its butyrate metabolism was elucidated thanks to proteomics approach. The species assimilates butyrate thanks to β-oxidation in the peroxisome and overexpress proteins involved in the general oxidative stress response.