Encapsulation de bactéries par freeze-casting : développement de nouveaux biomatériaux pour la bioremédiation

Encapsulation of bacteria by freeze-casting : development of new biomaterial for bioremediation

• Auteur / Autrice : Corentin Eschenbrenner
• Direction : Francisco M. Fernandes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 07/06/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Hourdet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Deville, Clémence Sicard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vanessa Prévot, Bernard Cathala

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pseudomonas

Biopolymères

Alginates

Biodégradation

Encapsulation (chimie)

Mots clés libres

Encapsulation

Congélation directionnelle

Pseudomonas putida mt2

Biodégradation

Alginate

Réticulation topotactique

Encapsulation

Freeze-casting

Topotactic cross-linking

Résumé

L’impact de l’Homme sur l’environnement et les écosystèmes constitue une problématique de premier plan de ce 21ème siècle. La pollution de l’air, des sols et des eaux endommage des écosystèmes déjà fortement affaiblis par les différents fléaux de l’activité humaine (réchauffement climatique, surexploitation, destruction des habitats naturels menant à la sixième extinction de masse, etc…). La pollution des eaux est particulièrement problématique à cause de la large diffusion possible des polluants et à l’importance de l’eau pour toute forme de vie. Cette pollution impacte ainsi la santé des êtres humains directement et indirectement à travers les réseaux trophiques. Ces polluants peuvent être naturellement dégradés – dégradation physique, chimique ou biologique (à travers la bioremédiation) – cependant la persistance de certains de ces contaminants nécessite une intervention humaine en vue de la restauration des écosystèmes. La bioaugmentation est une stratégie prometteuse consistant en l’introduction d’organismes exogènes (provenant d’un autre milieu) choisis pour leur capacité à dégrader spécifiquement les polluants persistants. Ces organismes exogènes peuvent être des plantes, des algues, des champignons ou encore des bactéries. Cette introduction d’organismes exogènes soulève une double question : celle d’un possible déséquilibre de l’écosystème, déjà perturbé, mais aussi de la sensibilité des organismes introduits aux conditions du milieu qui peuvent affecter leur viabilité et efficacité de dépollution. Dans ce contexte, l’utilisation de cellules encapsulées – plutôt qu’en suspension – a été rapportée dans la littérature1. Cette approche d’emprisonnement des microorganismes dans des matrices adaptées permet de limiter leur diffusion et leurs impacts potentiellement néfastes sur l’écosystème, tout en leur conférant une protection contre les conditions physico-chimiques du milieu. L’efficacité de la dépollution d’une telle approche réside dans la capacité des microorganismes à dépolluer les molécules ciblées mais aussi dans le choix de la matrice d’encapsulation. Les matériaux utilisés ainsi que la structure de la matrice jouent un rôle crucial pour permettre une dépollution par les microorganismes. L’utilisation de biopolymères comme matrice d’encapsulation a été largement étudiée dans la littérature2,3 en raison de leur cyto-comptabilité. La structure, quant à elle, est préférée macroporeuse en vue de la diffusion des polluants à travers le substrat. Dans cette thèse nous présenterons les résultats et réflexions sur l’encapsulation de bactéries dans des matrices d’alginate par la technique de congélation directionnelle, pour la biodégradation de colorants azoïques. La congélation directionnelle est une technique facile à mettre en œuvre, peu chère et applicable à une large gamme de biopolymères. Elle repose sur le contrôle de la croissance de cristaux de glace dont le négatif permet l’obtention de pores fortement anisotropes ainsi que l’encapsulation de cellules au sein des parois des matrices4. Nous avons alors étudié le contrôle de la structure macroporeuse et de la viabilité à travers différents leviers tels que la vitesse de croissance des cristaux (appelée vitesse du front de glace) et la concentration des microorganismes. La compréhension de l’évolution du microenvironnement autour des bactéries lors de leur congélation nous a aussi particulièrement intéressé. Malgré le fort potentiel de cette technique pour former des matrices cellularisées, anisotropes et macroporeuses, les nombreuses étapes de stabilisation nécessaires pour une utilisation en milieu aqueux diminuent drastiquement la viabilité des bactéries encapsulées. Afin de maximiser la viabilité de P. putida dans ces matrices d'alginate – ce qui permettrait une biodégradation plus efficace – nous avons conçu une nouvelle approche de traitement basée sur la dépression cryoscopique de la glace induite par des agents de réticulation ioniques. Cette approche [...]

Bioremediation is expected to play a central role in the future of water treatment. In this context, the use of encapsulated cells – rather than in suspension – to clean-up effluents has been widely reported1. To cope with the need to fabricate bacteria-laden materials, numerous strategies emerged: from bead bioreactors to nanoencapsulation2. Here we present our recent results in the entrapment of bacteria inside biopolymer matrix using the freeze casting process – for the bioremediation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. This process is easy to implement, cost effective and applicable to a wide range of water-soluble encapsulation matrices3. It relies on ice crystal growth to create an anisotropic porous matrix and permit the encapsulation of various cells in the matrix’s biopolymer walls4,5. Despite the technique’s attractiveness to build cell laden materials, the numerous stressing steps of the process led to poor bacteria survival. To maximise viability of P. putida in alginate matrices – which should translate to higher biodegradation efficiency – we designed a new processing approach based on the cryoscopic depression of ice induced by the biopolymers’ cross-linking ions, Ca2+. This approach that we coined topotactic cross-linking – and are currently extending to other biopolymer matrices6,7 – enables a one step process, eliminating the need for a drying step. The resulting macroporous materials host metabolically active bacteria and the aligned channels promote efficient liquid transport, suggesting interesting performance in flow biodegradation. We will discuss the implication of each processing steps (freezing, drying, topotactic crosslinking) on the local environment surrounding bacterial cells and their impact on viability. Finally, using a dye degrading strain (DSM: 3931), we show that freeze-casting coupled with topotactic cross-linking leads to a functional bioremediation system.