Développement et étude des bio-cathodes dénitrifiantes dans le contexte de la dépollution des zones humides

Development and study of denitrifying bio-cathodes in the context of natural wetland depollution

• Auteur / Autrice : Timothé Philippon
• Direction : Frédéric Barrière, Mathieu Étienne, Théodore Bouchez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique, chimie théorique
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Jury : Président / Présidente : Florence Geneste
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Étienne, Gwennola Ermel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Bernet, Pascal Mailley

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dénitrification

Bioélectrochimie

Cathodes

Mots clés libres

Bio-Cathodes à nitrate

Bio-Cathodes à oxygène

Métabolismes exo-Électrogènes

Étude des communautés bactériennes

Dénitrification

Nitrate bio-Cathodes

Oxygen bio-Cathodes

Exoelectrogenic metabolisms

Bacterial communities study

Denitrification

Résumé

La bio-électrochimie microbienne concerne l’étude des transferts d’électrons entre des micro-organismes vivants comme les bactéries et des électrodes. On distingue au sein de ces transferts d’électrons deux catégories : les transferts de type anodique où l’organisme réduit la surface de l’électrode et les transferts de type cathodique où l’électrode est oxydée par l’organisme. Parmi les biofilms microbiens cathodiques certaines bactéries catalysent la réduction des nitrates. Les travaux de cette thèse se concentrent sur les bio-cathodes à nitrate avec comme objectif la dépollution des milieux naturels. Dans un premier temps, des électrodes sous polarisation constante sont étudiées et montrent une biocatalyse de la réduction de l’oxygène permettant une augmentation indirecte de l’efficacité de la dénitrification. Ce résultat nous mène ensuite à une analyse de l’influence de l’oxygène présent dans l’air ambiant et permet d’observer une augmentation très significative de la dénitrification en cas d’absence de contact avec l’atmosphère. Cela nous amène à concevoir des électrodes avec des granules de graphite qui sont laissées sous polarisation constante sur une période d’un mois. Les résultats montrent une réaction aux nitrates ainsi qu’une dénitrification accrue pour les pilotes incluant ces électrodes. Enfin, une expérience incluant un temps d’incubation plus important met en évidence l’impact de la polarisation constante sur les communautés bactériennes ainsi que sur les types de métabolismes exo-électrogènes exprimés.

Microbial bio-electrochemistry is an emerging scientific field that studies electron exchanges between electrodes and living organisms. There are two distinct types of exchange: the anodic transfers where an organism will reduce the electrode surface and cathodic transfers where the surface will be oxidized by the organism whom will be able to reduce other compounds such as nitrate in its environment using the picked-up electrons. This thesis focusses on the study and development of nitrate reducing bio-cathodes with the long-term objective of depolluting natural environments. In a first study, graphite electrodes under constant polarization are analyzed and show a bio-catalyzed oxygen reduction which causes an indirect increase of denitrification. This result leads us to investigate the influence of oxygen present in ambient air on denitrification efficiency and we observe an important increase of denitrification when direct contact with atmosphere is absent. To overcome the oxygen influence, we chose to use graphite granules to build electrodes that will be polarized for one month of incubation. During this incubation, a clear electrochemical response to nitrate and an increase of denitrification efficiency is noted. From there we launched another experiment in order to define the influence of polarization on the microbial communities and the expressed exoelectrogenic metabolisms.