Influence des produits métaboliques sur la production d'hydrogène par fermentation sombre en culture mixte microbienne

Influence of metabolic products on hydrogen production by dark fermentation in mixed microbial culture

• Auteur / Autrice : Marie Noguer
• Direction : Eric Trably, Renaud Escudié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie et Microbiologie
• Date : Soutenance le 17/11/2022
• 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 : André Pauss
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Trably, André Pauss, Patrick Dabert, Patricia Bonin, Pierre Fontanille, Laurence Soussan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrick Dabert, Patricia Bonin

Mots clés

Mots clés libres

Biohydrogène

Fermentation sombre

Biodéchet

Communauté mixte microbienne

Biohydrogen

Dark fermentation

Biowaste

Mixed microbial communitie

Résumé

La fermentation sombre est un procédé biologique permettant de valoriser la matière organique sous forme d'acides organiques, d'H2 et de CO2. Elle permet de traiter une grande diversité de déchets organiques grâce à l'utilisation d'écosystèmes microbiens, et compte parmi les bioprocédés de production d'H2 avec les productivités les plus élevées. Toutefois, ces productivités élevées engendrent l'accumulation dans le milieu fermentaire de produits métaboliques. A concentrations élevées, ces produits métaboliques peuvent altérer l'activité microbienne et inhiber la production d'H2. Cette thèse a eu pour objectif d'améliorer la compréhension des effets liés à l'accumulation des acides organiques (acétate, butyrate, lactate) et des gaz de fermentation (H2, CO2) sur la production d'H2 par fermentation sombre et ainsi d'élaborer des stratégies de diminution des effets inhibiteurs liés à ces métabolites. Des fermentations en batch ont mis en évidence une inhibition de la production d'H2 par les acides organiques dépendante de la nature de l'acide et de sa concentration. Ces inhibitions ont été associées à des changements métaboliques et des changements de communautés microbiennes. Néanmoins, l'incubation prolongée des communautés microbiennes en présence d'acides a favorisé la croissance de bactéries résistantes productrices d'H2: Clostridium guangxiense et Clostridium tyrobutyricum. D'autre part, en batch également, et au cours de la fermentation de biodéchets, les concentrations en gaz ont été modifiées par diminution de la pression totale dans le fermenteur et/ou par captage du CO2. Seule la diminution de pression couplée au captage du CO2 a permis d'améliorer la production d'H2 de 58 %, notamment en lien avec la diminution de l'abondance de Streptococcus sp., bactérie lactique, et l'augmentation d'abondance de bactéries productrices d'H2, des Clostridium sp.. Lors de fermentation continues alimentées par des biodéchets, l'ajout transitoire de butyrate ainsi que la diminution de pression couplée au captage du CO2 ont été deux stratégies permettant respectivement de diminuer l'abondances de Lactobacillus sp. et de Streptococcus sp., bactéries lactiques. La première stratégie a permis d'augmenter la production d'H2 de 47 % via une augmentation d'abondance de C. guangxiense, tandis que la seconde n'a pas permis d'amélioration, des Bifidobacteriaceae ayant supplanté Streptococcus sp. Ce travail de thèse met en évidence l'intérêt du suivi et du contrôle des concentrations en métabolites comme outil de pilotage des fermentations et apporte de nouvelles connaissances sur les effets des métabolites sur le fonctionnement des communautés microbiennes.

Dark fermentation is a biological process aiming to the valorisation of organic matter in the form of organic acids, H2 and CO2. The valorisation of a wide range of organic wastes is made possible through the use of microbial communities and dark fermentation exhibits the highest H2 productivities among existing H2 production bioprocesses. However, high productivities irremediably result in the accumulation of metabolic products in the fermentation medium. At high concentrations, these metabolic products can alter microbial activity and inhibit the H2 production. This thesis aimed to improve the understanding of the effects of organic acids (acetate, butyrate, lactate) and fermentation gases (H2, CO2) on H2 production by dark fermentation and to further elaborate strategies to reduce the inhibitory effects of these metabolites. Batch fermentations showed an inhibition of H2 production by organic acids depending on the nature of the acid and their concentrations. These inhibitions were associated with metabolic and microbial community changes. However, prolonged incubation of microbial communities in the presence of acids resulted in the growth of resistant H2-producing bacteria: Clostridium guangxiense and Clostridium tyrobutyricum. In addition, and also in batch fermentation of biowaste, gas concentrations were modified by decreasing the total pressure of the fermenter and/or through CO2 capture. Only the decrease in total pressure coupled with CO2 capture improved the H2 production by 58 %. This improvement was related to the decrease in abundance of the lactic acid bacteria Streptococcus sp. and the increase in abundance of the H2-producing bacteria Clostridium sp. In continuous fermentations of biowaste, butyrate shock adaptation and pressure reduction coupled with CO2 capture were two strategies allowing the decrease of Lactobacillus sp. and Streptococcus sp. abundance, respectively. The first strategy increased the H2 production by 47 % through an increase in C. guangxiense abundance, while the second strategy did not result in any improvement, as Bifidobacteriaceae replaced Streptococcus sp. This work highlights the relevance of using metabolite concentrations as a tool to control fermentations and provides new knowledge on the effects of metabolites on microbial community functioning.