Pile à électrolyse microbienne polyextrêmophile : de l'enrichissement ciblé à l'utilisation de souches axéniques

Polyextremophilic microbial electrolysis cell : from targeted enrichment to the use of axenic strains

• Auteur / Autrice : Jean Caraës
• Direction : Pierre-Pol Liebgott, Fabrice Armougom
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement: Environnement et santé
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de l'Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MIO - Institut Méditerranéen d'Océanographie, UM 110

Mots clés

Mots clés libres

Pile à électrolyse microbienne

Biohydrogène

Biofilm électroactif

Extrêmophile

Source hydrothermale profonde

Microbial electrolysis cell

Biohydrogen

Electroactive biofilm

Extremophilic

Deep-sea Hydrothermal Vent

Résumé

L'hydrogène, vecteur énergétique décarbonée au rendement énergétique parmi les plus élevés, est considéré comme incontournable pour l'avenir pour remplacer les combustibles fossiles dans les secteurs énergétiques résidentiels et industriels. Cependant, dans le contexte de la transition énergétique, la production d'hydrogène comme combustible de substitution doit se faire par des processus décarboné indépendant des combustibles fossiles. Par voie microbiologique, il est possible de produire du biohydrogène à partir de biodéchets, en utilisant des micro-organismes au travers de la fermentation obscure ou de méthodes bio-électrochimiques (pile à électrolyse microbienne, PEM). Afin de lever les verrous biotechnologiques spécifique aux PEMs, il est nécessaire d'explorer leur potentialité en conditions polyextrêmophiles (haute température, milieu acide, pression hyperbare…). A cette fin, ce projet se structure en deux volets principaux : (i) l'enrichissement et l'étude de consortia électrogéniques naturels issus de sources hydrothermales profondes, et (ii) l'étude de souches types modèles, reconnues pour leurs potentialités biotechnologiques. Quatre axes majeurs encadrent cette recherche : (1) enrichissements ciblés de microorganismes électrogènes polyextrêmophiles ; (2) test de la capacité électrogénique de souches polyextrêmophiles pour lever les verrous biotechnologiques des PEMs ; (3) étude de souches types sulfo-réductrices pour biocatalyser des cycles vertueux d'oxydoréduction des composés polysulfurés/sulfure d'hydrogène (S0/H2S) ; (4) développer des techniques omiques (metabarcoding, métabolomique et transcriptomique) pour analyser la dynamique taxonomique et fonctionnelle des communautés microbiennes. Le but ultime est de proposer un système de production de bioH2 à partir de matière organique complexe, ou à partir du moût de fermentation obscure dans un système bi-étagé, contribuant ainsi à la transition vers des énergies renouvelables tout en préservant l'environnement.

Hydrogen, as a decarbonized energy carrier with one of the highest energy efficiencies, is regarded as essential for the future in replacing fossil fuels in residential and industrial energy sectors. However, in the energy transition context, the production of hydrogen as a substitute fuel must be achieved through decarbonized processes that are independent of fossil fuels. Microbiologically, it is possible to produce biohydrogen from biowaste by using microorganisms through dark fermentation or using bioelectrochemistry (microbial electrolysis cells, MECs). To overcome the specific biotechnological barriers associated with MECs, it is necessary to explore their potential under polyextremophilic conditions (high temperature, acidic environments, high pressure ). On one hand, this project focuses on enriching and studying natural electroactive consortia derived from deep-sea hydrothermal vents. On the other hand, it investigates model strains known for their biotechnological potential. Four major axes guide this research: (1) targeted enrichment of polyextremophilic electroactive microorganisms; (2) testing the electrogenic capacity of polyextremophilic strains to overcome the biotechnological challenges associated with MECs; (3) investigation of sulfur-reducing model strains to drive virtuous redox cycles of polysulfur compounds/hydrogen sulfide (S0/H2S); (4) development of omics techniques (metabarcoding, metabolomic, and transcriptomic) to analyse the taxonomic and functional dynamics of microbial communities. The ultimate goal is to propose a two-stage system for biohydrogen production using complex organic matter or dark fermentation broth. This approach aims to contribute to the transition towards renewable energy while preserving the environment.