Etude de la production de polyhydroxyalcanoates à moyenne chaine carbonée (mcl-PHA) par des consortia microbiens

Studying the production of medium-chain-length polyhydroxyalkanoates (mcl-PHA) by microbial consortia

• Auteur / Autrice : Emilie Alaux
• Direction : Guillermina Hernandez-Raquet, Cesar Arturo Aceves Lara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie microbienne et enzymatique
• Date : Soutenance le 07/07/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SYMBIOSE-Écosystèmes microbiens et bioprocédés d'épuration et de valorisation
• Jury : Président / Présidente : Claire Albasi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Zemb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Ghiglione, María Auxiliadora Prieto Jimenez, Paulo Alexandre Da Costa Lemos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyhydroxyalcanoates

Mots clés libres

Polyhydroxyalcanoate à moyenne chaine carbonée

Consortia microbiens

Limitation phosphore

Bioplastiques

Medium-Chain-Length polyhydroxyalcanoate

Mixed cultures

Phosphorus limitation

Bioplastics

Résumé

Avec une production globale de plastique de plus de 368 millions de tonnes par an, la problématique de leur accumulation ne fait que croître. En effet, les plastiques conventionnels sont soit incinérés après usage, rejetant des fumées toxiques et polluantes, soit accumulés dans l’environnement et plus précisément dans les océans. Il existe donc un intérêt croissant pour la production de plastiques biodégradables. Les polyhydroxyalcanoates (PHA) constituent un type particulièrement attrayant de polymères biosourcés et biodégradables en raison de leur diversité structurelle et de leur similitude avec les plastiques conventionnels. Parmi eux, les polyhydroxyalcanoates à moyenne chaîne carbonée (mcl-PHA) suscitent un intérêt croissant en raison de leurs propriétés élastomères. Cependant, leur production biologique repose actuellement sur la fermentation par des cultures pures microbiennes, naturelles ou recombinantes, et des substrats raffinés, ce qui entraîne des coûts de production relativement élevés par rapport aux plastiques conventionnels. Il semble donc nécessaire de développer des stratégies alternatives de production biologique de PHA en cultures mixtes microbiennes à partir de co-produits de faible valeur ajoutée tels que les résidus organiques. Ce travail visait à identifier les conditions opératoires conduisant à la production de mcl-PHA à partir de boues activées, en utilisant l'acide oléique comme seule source de carbone (C) et le phosphore (P) comme nutriment limitant. La faisabilité de l'accumulation directe de mcl-PHA a été démontrée dans des bioréacteurs fed-batch réalisés avec différents ratios C/P, mettant en évidence son impact sur la diversité microbienne. De plus, l’application d’un ratio C/P en mode continu a conduit à la sélection d'organismes accumulateurs de PHA. Enfin, il semble que le taux de phosphore intracellulaire puisse influencer l'orientation des flux de carbone vers la biomasse catalytique et les PHA, déterminant notamment la composition monomérique de ce dernier.

The global production of plastic has reached more than 360 million tons per year, and the issue of their accumulation is growing. Indeed, conventional plastics are either incinerated after use, rejecting toxic and polluting fumes, or accumulated in the environment and more precisely in the oceans. There is therefore a growing interest in the production of biodegradable plastics. Polyhydroxyalkanoates (PHA) are particularly attractive biobased and biodegradable polyesters displaying similar properties to conventional plastics. Among them, medium-chain-length polyhydroxyalkanoate (mcl-PHA) have been drawing much interest because of their elastomeric properties. However, to this day their production has relied on microbial fermentation by wild type or genetically engineered pure cultures and refined substrates, resulting in relatively high production costs compared to conventional plastics. Hence the need to develop alternative strategies for bacterial PHA production in open mixed cultures using low-valued co-products, including organic residues. This work aimed to identify the operating conditions leading to the production of mcl-PHA from activated sludge, using oleic acid as the sole carbon (C) source and phosphorous (P) as the limiting nutrient. The feasibility of direct mcl-PHA accumulation was demonstrated in fed-batch bioreactors performed with various C/P ratios, highlighting its impact on the microbial diversity. Moreover, the C/P ratio applied in continuous mode successfully led to the selection of PHA accumulating organisms. Finally, the intracellular phosphorus content has been shown to influence the orientation of carbon fluxes towards catalytic biomass and PHA, determining its monomeric composition.