Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'obésité est une maladie complexe qui cause de nombreux troubles physiopathologiques. La chirurgie bariatrique représente le meilleur traitement connu à ce jour contre l'obésité sévère. Parmi les chirurgies, celles dites hypoabsorptives telles que la dérivation gastrique Roux-en-Y (RYGB), la dérivation biliopancréatique avec commutation duodénale (BPD-DS), la dérivation duodéno-iléale simple avec gastrectomie verticale (SADI-S) sont les plus efficaces. Cependant les mécanismes impliqués dans les bénéfices métaboliques et la perte de poids à la suite de ces chirurgies restent mal compris. Le but de ce travail était d'approfondir la compréhension des mécanismes en nous focalisant sur (1) les rôles clés de certains acteurs intestinaux et moléculaires que sont le microbiote intestinal et ses produits dérivés tels que les acides gras à chaînes courtes (AGCC) et à chaînes ramifiées (AGCR) et (2) les liens entre les changements du microbiote intestinal et de l'endocannabinoïdome (eCBome). Des rats Wistar mâles nourris soit avec un régime standard de moulée de laboratoire, soit avec un régime riche en graisse ont été utilisés. Le poids corporel, la prise alimentaire, les niveaux de glucose, d'insuline et des hormones gastro-intestinales, glucagon-like peptide-1 (GLP-1) et peptide tyrosine tyrosine (PYY) ont été mesurés. La composition du microbiote intestinal ainsi que le contenu fécal et cécal en acides gras AGCC/R ont été étudiés avant et après les chirurgies. Les concentrations des médiateurs de l'eCBome ainsi que l'expression des gènes de l'eCBome ont été mesurées dans les différentes régions de l'intestin grêle. Comparées à la chirurgie restrictive gastrectomie verticale (SG), les chirurgies RYGB, BPD-DS, SADI-S ont entraîné une diminution du poids corporel, de la masse adipeuse, une amélioration du métabolisme du glucose et une augmentation des hormones GLP-1 et PYY. Ces effets étaient associés à des altérations du microbiote intestinal à la fois dans les fèces et dans les anses intestinales des rats nourris avec un régime standard ou avec un régime riche en graisse. Dans le premier cas, sous un régime riche en fibre et faible en graisse, nous avons observé une augmentation des proportions des bactéries du genre Bifidobacterium et une baisse des proportions des Clostridiaceae et des Peptostreptococcaceae. Dans le second cas, sous un régime riche en graisse, nous avons observé une hausse de l'abondance des Enterobacteriaceae, Sutterella et Clostridium. Ces changements dans la composition bactérienne de l'intestin ont donné lieu à une hausse de la production de propionate, butyrate, isobutyrate et isovalérate, laquelle fut associée à une augmentation de la sécrétion de PYY et aux effets métaboliques bénéfiques des chirurgies. D'autre part, les changements du microbiote intestinal étaient associés à des altérations des niveaux des médiateurs de l'eCBome qui, tous deux étaient corrélés aux améliorations des chirurgies BPD-DS et SADI-S. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent un rôle clé du microbiote intestinal, des acides gras à chaîne courte et ramifiée et des médiateurs de l'eCBome tels que l'oleoyléthanolamide (OEA) dans les bénéfices des chirurgies hypoabsorptives. / Obesity is a complex disease that causes many pathophysiological disorders. Bariatric surgery represents the best treatment for severe obesity. Among the obesity surgeries, the hypoabsorptive ones, namely Roux-en-Y gastric bypass (RYGB), biliopancreatic diversion with duodenal switch (BPD-DS), single-anastomosis duodeno-ileal bypass with sleeve gastrectomy (SADI-S) are the most effective. However, the mechanisms involved in the metabolic benefits and weight loss following these surgeries remain poorly understood. The aim of this work was to further delineate the mechanisms where by hypoabsorptive bariatric procedures affect energy homeostasis by focusing on (1) the roles of intestinal and molecular players, namely the gut microbiota, its derivated products, including short-chain and branched-chain fatty acids (SCFAs and BCFAs), and (2) the links between changes in the gut microbiota and the eCBome. Male Wistar rats were fed either low-fat or high-fat diets. Body weight, food intake, glucose and insulin levels, gastrointestinal hormones, glucagon-like peptide-1 (GLP-1) and peptide tyrosine tyrosine (PYY) were measured. The composition of the intestinal microbiota as well as the fecal and cecal contents of B/SCFAs were studied before and after the surgeries. The concentrations of eCBome mediators as well as the expression of the eCBome genes were measured in the different regions of the small intestine. Compared to the vertical sleeve gastrectomy (SG), RYGB, BPD-DS, SADI-S surgeries resulted in decreased body weight and fat mass, improved glucose metabolism and increased GLP-1 and PYY hormones. These effects were associated with alterations in the gut microbiota in the feces and in the small intestines of rats fed low-fat diet or high-fat diet. In the former, we observed an increase in the proportions of bacteria of the genus Bifidobacterium and a decrease in the proportions of Clostridiaceae and Peptostreptococcaceae. In the latter, we observed an increase in the abundance of Enterobacteriaceae, Sutterella and Clostridium. These changes in the bacterial composition of the gut resulted in increased production of propionate, butyrate, isobutyrate and isovalerate, which were associated with an increased PYY secretion and the beneficial metabolic effects of surgery. Notably, changes in the gut microbiota were associated with altered levels of eCBome mediators, and both were correlated with metabolic improvements of the BPD-DS and SADI-S surgeries Overall, our results suggest a key role of the gut microbiota, SCFAs and BCFAs, and eCBome mediators such as oleoylethanolamide (OEA) in the benefits of hypoabsorptive surgeries

Cette étude s'inscrit dans le cadre d'un programme de recherche destiné à évaluer le potentiel de la biodésinfection anaérobie (BDA) pour lutter contre les champignons phytopathogènes du sol dans les fraisières. Elle avait pour objectifs de (1) caractériser les profils d'acides gras volatils (AGVs) obtenus suite à la BDA réalisée avec différentes matières organiques et (2) déterminer la fongitoxicité et la phytotoxicité des AGVs. La BDA du sol a été réalisée in vitro avec comme amendements organiques une variété de résidus lignocellulosiques et de sous-produits de l'industrie agroalimentaire largement disponibles dans la province de Québec. Les sols amendés en matière organique ont généralement présenté des valeurs négatives de potentiel redox après deux semaines de BDA. Les concentrations du sol en AGVs (acide acétique, butyrique, isobutyrique, propionique, valérique et isovalérique) et la concentration totale en AGVs ont varié selon l'amendement organique utilisé. Les concentrations totales en AGVs les plus élevées furent obtenues dans les sols amendés avec la mélasse, la drêche de brasserie ou le marc de pomme. L'exposition à l'acide acétique et à l'acide butyrique, aux concentrations obtenues dans les sols soumis à la BDA, fut létale pour Verticillium dahliae et Neopestalotiopsis rosae. Des plantules de fraisier (Fragaria × ananassa) transplantées dans le sol après la BDA ont développé des symptômes de phytotoxicité au niveau des feuilles et des racines. Les symptômes les plus intenses ont été observés dans les sols dont les concentrations totales en AGVs étaient les plus élevées. L'acide butyrique et l'acide acétique seraient responsables, à tout le moins en partie, des symptômes foliaires de phytotoxicité. Cette étude démontre que le type de matière organique incorporé dans le sol influence les profils d'AGVs obtenus suivant un traitement de BDA et que l'acide acétique et l'acide butyrique, les AGVs produits en plus grande quantité, sont fongitoxiques et phytotoxiques.

Dans le cadre des recherches de l'ANDRA sur le confinement en couche géologique profonde de déchets radioactifs, une étude microbiologique a été menée sur l'eau interstitielle et l'argile du Callovo-Oxfordien (–490m, 165 millions d'années). Deux types d'études ont été menés, culturale et moléculaire.Malgré différentes tentatives d'extractions, et comme pour les études antérieures effectuées, aucun ADN n'a pu être extrait au cours de ce travail. Par contre, une approche culturale a permis de mettre en évidence la présence d'une microflore peu dense mais viable et métaboliquement assez variée : neuf espèces aérobies dont quatre facultatives et deux anaérobies strictes, de différents types métaboliques : sulfato-réducteur, réducteur de Fe(III), fermentaire et oxydation complète des substrats en CO2. Au vu des disponibilités in-situ en sources de carbone (SC) et d'énergie nécessaires à la croissance bactérienne, la production d'acétate et autres acides gras volatils ainsi que la production d'hydrogène pourraient potentiellement être actifs dans le Cox. L'étude des produits du métabolisme a permis d'identifier plusieurs agents biotiques (dont H2S) ayant potentiellement une activité biocorrosive. Par ce travail il apparait fondamental que la composante biologique soit prise en compte dans la conception du stockage, afin notamment d'éviter ou de limiter tout apport de matière organique exogène à la formation argileuse. Cette prise en compte biologique apparait cruciale pour tenter de restreindre le réseau trophique bactérien à ces conditions initiales, celles qui sont potentiellement présentes sur le site de stockage, qui concernent les seules SC et d'énergie autochtones. / In the framework of research of ANDRA about reversible deep geological radioactive waste, a microbiological study was conducted on pore water and Callovo-Oxfordian clay layer (-490m and 165 million years). Two types of studies were conducted, a cultural approach and a molecular approach.Despite various attempts of extraction, and as for the previous, no DNA could be extracted in this work. However, the cultural approach has highlighted the presence of a sparse microflora but viable and metabolically quite varied: nine aerobes species including four facultative anaerobes and two strictly anaerobes. They represent different metabolic types: sulfate-reducing, iron-reducing, fermentative and complete oxidation of substrates into CO2. In view of the availability of in-situ sources of carbon and energy required for bacterial growth, the production of acetate and other volatile fatty acids as well as hydrogen production could potentially be active in the clay layer of Cox and open to varied bacterial growth.The study of metabolic products has also identified several biotic agents (including hydrogen sulfide) having a potentially biocorrosive activity. Through this work it appears that the biological component is to be taken into account in the design of radioactive waste storage, in particular to avoid or minimize any contribution of exogenous organic matter in the clay formation.This biological consideration appears crucial to attempt to restrict bacterial trophic network on these initial conditions, that is to say those that are potentially present on the storage site, that concern solely autochthonous carbon and energy sources.

Les réserves de pétrole sont sur le déclin, les prix des ressources fossiles fluctuent et le CO 2 dégagé par leur consommation contribue inéluctablement au réchauffement climatique. Ce phénomène, conduit notre société vers l'utilisation accrue de biomasse pour la génération d'énergie, de composés chimiques et de matériaux. La réduction des déchets est considérée comme indissociable de cette transition énergétique et en opposition aux préjugés, l’accroissement des déchets organiques peut être bénéfique dans cette recherche de solutions alternatives. En effet, cela conduit à la génération de grandes quantités de matières qui peuvent représenter de potentielles ressources. De plus, changer le statut des déchets en coproduits pour la production de bioénergies n’entre pas en concurrence avec les filières alimentaires et cela constitue un des principaux enjeux des biotechnologies. Sous certaines conditions, les bioconversions anaérobies représentent des procédés d’ingénierie prometteurs pour accomplir le double enjeu de la valorisation des coproduits et de la production de molécules d’intérêt énergétique et chimique (biocarburants, chimie verte...). En revanche, l’innovation dans les biotechnologies blanches est nécessaire pour la production robuste, performante, rentable et environnementalement acceptable de biomolécules à partir de ressources renouvelables. Dans ce contexte, la société AFYREN a été pensée et créée pour répondre à ce défi mondial via sa technologie « tout en un », AFYNERIE, qui s’inspire de la nature et des sciences. L’objectif premier de ce travail de thèse, cœur du procédé AFYNERIE, était d’étudier les performances de microorganismes anaérobies, sous forme de souches pures ou de consortia pour la valorisation de substrats plus ou moins complexes via un processus de méthanogenèse avortée. Pour cela, il était nécessaire de considérer, déjà à l’échelle du laboratoire, une projection dans le monde industriel. Nous avons alors démontré les capacités de la diversité microbienne à produire des molécules plateformes à partir de coproduits agro-industriels réels en mode stérile puis non stérile. Cette étude s’est appuyée en parallèle sur la caractérisation et la dynamique des populations microbiennes mises en jeu. Ensuite, l’accumulation des métabolites, à la fois inhibiteurs et d’intérêt, dans les milieux fermentaires en mode discontinu et avec des rendements compétitifs, a débouché sur la nécessité de surpasser ces limitations par le passage à un mode continu. Pour ce faire, un procédé d’extraction biocompatible des synthons issus de l’opération de fermentation a été mise en œuvre selon différents mode de réalisations. Ce couplage des opérations unitaires, sous forme de fermentation extractive, a livré des résultats prometteurs tout en étant bâtit dans un cadre de bioraffinerie et d’écologie industrielle qui tend vers le « zéro déchet ». Enfin, à l’inverse des autres technologies émergentes, pour se placer dans une approche de drop-in, la biologie et la chimie ont été associées. Le but a été d’illustrer la multipotence des acides gras volatils (AGVs) en termes d’applications industrielles et de réaliser la preuve de concept de la transformation de la biomasse non alimentaire en biomolécules d’intérêt énergétique et chimique. Ces travaux ont permis de soulever les points clés du changement d’échelle du procédé AFYNERIE et d’entrevoir des perspectives tant fondamentales qu’appliquées. Cette brique technologique, de par sa philosophie multi-intrants/multi-produits, couplant fermentation-extraction-synthèse, permet d’initier la transition au stade pilote d’un procédé innovant compatible avec une future économie biosourcée. / Fossil oil reserves are decreasing, oil prices are fluctuating, and the CO 2 released by oil consumption contributes to global warming. These are driving our society towards increased use of biomass for energy, chemical compounds and other materials. Minimizing waste has been seen as a concern associated with alternative energy efforts. Contrary to expectation, increasing organic waste can be beneficial for alternative energy efforts, because it would result in large amounts of organic resources that can be potential raw materials. Moreover, using waste as a resource for bioenergy production does not compete with human or animal food or agricultural surfaces, and that is one of the greatest challenges facing biotechnology. Using waste as a resource for biomolecule production would thus be an interesting approach to reducing waste in the environment and producing renewable materials. Under specific conditions, detrital biomass can be converted into biomolecules of interest by microorganisms. Anaerobic fermentation techniques represent promising engineering processes for accomplishing the dual goals of waste reduction and renewable biomolecule production for biofuel and green chemistry markets. On the other hand, innovative fermentation processes are necessary for the strong, successful, cost-effective and eco-friendly production of bulk chemicals from renewable resources. In this context, AFYREN company was thought and founded to answer this world challenge through its “all in one” technology, AFYNERIE, which is inspired from the nature and sciences. The first objective of this thesis, heart of the AFYNERIE process, was to study the performances of anaerobic microorganisms, in the form of pure strains or of consortia for the valorization of more or less complex substrata via a process of failed methanogenesis. For that purpose, it was necessary to consider, already at the laboratory scale, a projection in the industrial world. Then, we demonstrated the capacities of the microbial diversity to produce platform molecules from real agro-industrial by-products in sterile and then non sterile mode. This study leaned in parallel on the characterization and the dynamics of involved microbial populations. Then, the accumulation of metabolites, which are at the same time inhibitory and of interest, in fermentative media in batch mode and with competitive yields, resulted in the necessity of surpassing these limitations by the passage in a continuous mode. To do this, a process consisted of a biocompatible extraction of synthons stemming from the operation of fermentation was implemented according to different mode of realizations. This coupling of single operations, in the form of extractive fermentation, delivered promising results while builds in a frame of biorefinery and industrial ecology which tightens towards a “zero waste”. Finally, contrary to the other emergent technologies, to take place in a drop-in approach, biology and chemistry were associated. The purpose was to illustrate the versatility of volatile fatty acids (VFAs) in terms of industrial applications and to realize the proof of concept of the transformation of the non-food biomass in biomolecules of energy and chemical interest. These works allowed to underline key points of the scale-up of AFYNERIE process and to glimpse perspectives fundamental as well as applied perspectives. This technological brick, due to its multi-inputs / multi-products philosophy, coupling fermentation-extraction-synthesis, allows to introduce the transition to the pilot stage of an innovative process compatible with a future biobased economy.

Thèse (M.Ress.Renouv.)-- Université du Québec à Chicoutimi, 2002. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Une part importante de la production mondiale de vecteurs énergétiques et de produits chimiques provient de la raffinerie de combustibles fossiles. En raison de l'augmentation du prix du pétrole et de son impact environnemental, la recherche de solutions alternatives, écologiques et économiques constitue l’un des enjeux de notre siècle. Le remplacement du pétrole par de la biomasse en tant que matière première pour la production de carburants et de produits chimiques constitue la force motrice dans le développement de complexes de bioraffinerie.Cette étude fait partie d’un projet de bioraffinerie visant la valorisation de biomasse lignocellulosique par la production d’hydrogène et de lipides microbiens précurseurs de biodiesel. Ce travail se concentre en particulier sur l’étape de production de biomasse et de lipides par la levure oléagineuse Cryptococcus curvatus à partir d’acides gras volatils (AGVs) synthétisés au cours de la fermentation anaérobie productrice d’hydrogène. Les cultures ont dans un premier temps été réalisées à partir d’un substrat modèle, l’acétate, en fed-batch et en continu. La détermination de l’influence de différents paramètres opératoires sur la production de biomasse et de lipides à partir d’acétate a permis de mettre au point des cultures en fed-batch dont les cinétiques, les productivités et les rendements finaux étaient compétitifs avec ceux rapportés dans la littérature pour des cultures sur substrats simples. Un modèle de croissance et de production de lipides a été construit à partir de ces données afin de prédire le comportement de la souche lors de cultures continues, permettant d’obtenir des productivités en lipides et en biomasse élevées. Enfin, des cultures ont été menées à partir d’AGVs issus de surnageant de fermentation anaérobie. Les résultats ont confirmé la croissance de ces levures sur ce substrat particulier et la production de lipides dont la composition en acides gras estérifiés était compatible avec une utilisation comme biodiesel. / A great part of the global production of energy vectors and chemicals comes from fossil fuels refinery. Because of the increase in oil price and their environmental impacts, the search for alternative, ecological and economic solutions is a current challenge. The replacement of oil with biomass as raw material for the production of fuels and chemicals is the driving force for the development of biorefinery complexes.This study is part of a project aiming at the biorefinery of lignocellulosic biomass for hydrogen and microbial lipids as biodiesel precursors. This work focuses on the biomass and lipids production step by the oleaginous yeast Cryptococcus curvatus using volatile fatty acids (VFAs) as carbon sources, which are synthesized during the anaerobic fermentation step. Yeast cultures have initially been realized using a model substrate, acetate, and fed-batch and continuous modes. The determination of the influence of different operating parameters on the biomass and lipids production led to the development of fed-batch cultures which kinetics, productivities and yields were competitive with those reported in the literature for cultures on simple substrates. A growth and lipid production model was built from these data to predict the behavior of the strain during continuous cultures and to obtain high lipid and biomass productivities. Finally, cultures were conducted using VFAs from anaerobic fermentation supernatant. The results confirmed the growth of these yeasts on this particular substrate and the production of lipids which composition was compatible with use as biodiesel.

Certaines stratégies alimentaires sont actuellement considérées pour remplacer l’usage des antimicrobiens dans les fermes porcines. Les objectifs de cette étude étaient d'évaluer l'effet de la granulométrie et de la texture des aliments sur les concentrations d'acides gras volatils intestinaux, la composition des populations pathogènes et commensales d’E. coli et sur les performances de croissance des porcs. Des porcs d'engraissement (n= 840) ont reçu l'une des six diètes suivantes: moulée texturée 500, 750 et 1250 µm et moulée cubée 500, 750 et 1250 µm. Le gain de poids a été mesuré à chaque changement de formulation de moulée. À l'abattoir, les contenus du caecum et du côlon de 165 porcs ont été échantillonnés pour le dénombrement des E. coli par PCR quantitatif (qPCR) et pour la quantification des AGV. Le gène yccT a été utilisé pour dénombrer les E. coli totaux. Une diminution du taux de conversion alimentaire a été associée avec la moulée cubée et/ou la moulée de 500 µm. Les concentrations d’acide propionique et butyrique, et ce tant au niveau du caecum que du côlon, étaient plus élevées chez les porcs recevant de la moulée texturée que chez ceux recevant de la moulée cubée. Du point de vue de la granulométrie, les concentrations caecales et du côlon d’acide butyrique étaient plus élevées chez les porcs alimentés avec de la moulée de 1250 µm que chez ceux recevant de la moulée de 500 µm. D'autre part, les niveaux intestinaux d’E. coli totaux étaient plus élevés pour les porcs nourris avec de la moulée cubée que pour ceux ayant reçu de la moulée texturée. Les résultats ont montré que la moulée texturée est associée à des performances de croissance plus faibles mais à des changements intestinaux favorables. / Natural approaches, such as dietary modifications, are now being considered to replace antimicrobials for the control of bacterial infections in pigs. The objectives of this study were to assess the effect of feed size and texture on intestinal Volatile fatty acids profiles and concentrations, E. coli populations, and on growth performance. Fattening pigs (n=840) received one of six different diets: mash feed 500, 750 and 1250 µm and pellet feed 500, 750 and 1250 µm. Weight gain of pigs was monitored for each diet formulation over the fattening period. At the slaughterhouse, caecal and colon contents from 165 pigs were sampled for enumeration of E. coli by quantitative PCR (qPCR) and for acetic, propionic and butyric acid quantification. The yccT gene was used to enumerate total E. coli. A decrease in feed conversion associated with pellet texture and/or 500 µm particle size was observed for each diet formulation. In addition, caecal and colon propionic acid concentrations and caecal and colon butyric acid concentrations were lower for pigs receiving pellet rather than mash feed. Moreover, caecal (p=0,0208) and colon (p=0,0006) butyric acid concentrations were higher for pigs receiving a feed with a 1250 µm rather than 500 µm particle size. For total E. coli enumeration, caecal (p=0,01) and colon (p=0,04) yccT gene copies were higher for pigs receiving pellet rather than for those receiving mash feed. Taken together, results showed that mash feed is associated with favourable intestinal changes (VFA levels) and with a reduction of E. coli in the pig.

La production de microalgues en hétérotrophie présente plusieurs avantages pour la production de biocarburants par rapport à la production autotrophe, comme une productivité plus importante en termes de biomasse et de lipides. Cependant, le développement industriel de ce procédé est limité par les coûts de productions associés au substrat organique (i.e. glucose) et à ceux liés à la stérilisation des fermenteurs. Les effluents de fermentation sombre, composés principalement d’acétate et de butyrate, pourraient être utilisés comme milieux de culture peu onéreux pour la culture hétérotrophe ou mixotrophe de microalgues. Les objectifs de cette thèse étaient i) de mieux appréhender la croissance algale sur des mélanges variés d’acétate et de butyrate en fonction de la présence ou l’absence de lumière et de la température de croissance et ii) d’évaluer la faisabilité d’utiliser des effluents de fermentation non stérilisés pour soutenir la croissance de microalgues oléagineuses. Tout d’abord, un modèle basé sur des bilans de masse a été construit afin de caractériser la croissance hétérotrophe de Chlorella sorokiniana et Auxenochlorella protothecoides (taux de croissance et rendements) sur des mélanges d’acétate et de butyrate. Les résultats ont montré que le rapport acétate:butyrate et la concentration en butyrate étaient deux paramètres clés pour soutenir la croissance hétérotrophe. Puis, il a été démontré que la présence de lumière et l’utilisation d’une température suboptimale (30 °C) pour la croissance algale permettaient de réduire l’inhibition du butyrate en permettant une production de biomasse autotrophe ou en améliorant la croissance sur acétate. Enfin, il a été montré que les microalgues peuvent être compétitives sur l’acétate lors de la croissance sur des effluents bruts de fermentation sombre en présence de bactéries fermentaires, grâce à la croissance rapide des microalgues sur acétate (1.75 j-1) et à un changement drastique des conditions de culture peu favorables à la croissance des bactéries d’origine fermentaire. / Growing microalgae in heterotrophic mode present several advantages over autotrophic mode such as a higher productivity in terms of biomass and lipids for biofuels production. Nevertheless, this process is limited by the production cost associated with the organic substrate (i.e. glucose) and fermenters sterilization costs. Dark fermentation effluents, mainly composed of acetate and butyrate, could be used as a low-cost medium to grow microalgae heterotrophically or mixotrophically. The aims of this PhD were i) to optimize microalgae growth on various mixtures of fermentations metabolites using the presence or absence light and different cultivation temperatures and ii) to assess the feasibility of using unsterilized fermentation effluents. First, a model based on mass balance was built to characterize heterotrophic growth rates and yields when Chlorella sorokiniana and Auxenochlorella protothecoides were supplemented with different mixtures of acetate and butyrate. Results showed that the acetate:butyrate ratio and the butyrate concentration per se were two key parameters for promoting heterotrophic growth. Then, further studies showed that the presence of light and the use of suboptimal temperature (30 °C) could reduce the butyrate inhibition on growth by either triggering autotrophic production of biomass or enhancing growth on acetate. Finally, it was shown that microalgae could outcompete fermentation bacteria for acetate when growing on raw dark fermentation effluents, thanks to a fast algal growth on acetate (1.75 d-1) and a drastic change of culture conditions to the detrimental of bacterial growth.

Ce travail de thèse a eu pour objectif principal l'étude thermodynamique des changements métaboliques dans l'acidogénèse. L'acidogénèse est un procédé anaérobie à double intérêt qui en traitant des résidus organiques, permet de produire des composés chimiques comme l'hydrogène, l'éthanol et les acides organiques. Par conséquent, l'acidogénèse se place comme un procédé biotechnologique dans le concept de bioraffinerie. En outre, ce processus n'a pas besoin de conditions stériles d'opération et fonctionne sur une large gamme de pH. Ces changements métaboliques sont dépendants des modifications dans les conditions opératoires. Afin d'étudier ces changements métaboliques, des expériences basées sur des modifications du ciel gazeux du réacteur par introduction d'azote et sur des changements du pH, ont été menées. Un des résultats les plus intéressants a été l'augmentation du rendement de production d'hydrogène de 1 à 3,2 molH2/molglucose à pH 4,5 et débit de N2 de 58,4 L/d. Ce rendement est proche de la valeur théorique (4 molH2/molglucose). L'étude thermodynamique a permis d'expliquer les mécanismes métaboliques concernant l'hydrogène, dont la production importante, représentée par le rendement de 3,2 molH2/molglucose, est due à la réaction inverse H2/NAD+, qui est thermodynamiquement faisable à faibles pressions partielles d'hydrogène (par exemple 0,02 bar). En outre, les bas rendements en hydrogène ont été expliqués par l'action consommatrice d'hydrogène par la réaction d'homoacetogénèse. Cependant, le modèle n'a pas été capable d'expliquer les changements métaboliques de l'acétate, du butyrate et de l'éthanol lors de la fermentation acidogénique du glucose. / This thesis deals with thermodynamic based modelling of metabolic shifts during acidogenic fermentation. Acidogenic fermentation is an anaerobic process of double purpose: while treating organic residues, it produces chemical compounds, such as hydrogen, ethanol and organic acids. Therefore, acidogenic fermentation arises as an attractive biotechnology process towards the biorefinery concept. Moreover, this process does not need sterile operating conditions and works under a wide range of pH.Changes of operating conditions produce metabolic shifts, inducing variability on acidogenic product yields. In order to study these metabolic shifts, an experiment design was based on reactor headspace N2-flushing (gas phase) and pH step changes (liquid phase). A major result was the hydrogen yield increase from 1 to 3.2 (molH2/molglucose) at pH 4.5 and N2-flushing of 58.4 L/d. This yield is close to the theoretical acidogenic value (4 molH2/molglucose).The thermodynamic model, based on the assumption that acidogenic fermentation is characterised by limited energy available for biological process, allowed to explain the mechanisms that govern hydrogen metabolic shifts, showing that the synthesis of extra hydrogen, i.e. yield of 3.2 (molH2/molglucose), was due to reverse H2/NAD+ redox reaction, which is thermodynamically feasible at low hydrogen partial pressures (e.g. 0.02 bar). Moreover, low hydrogen yields were explained by the action of homoacetogenesis hydrogen consuming reaction. However, the model was not capable to explain the metabolic shifts of acetate, butyrate and ethanol on acidogenic glucose fermentation.

L’accumulation de biopolymère de réserve (PolyHydroxyAlcanoates ou PHA) par la souche Cupriavidus necator, à partir de substrats de type acides gras volatils (acide butyrique, acide propionique et acide acétique) a été étudiée. Elle est induite par une limitation phosphore. Les performances atteintes lors des cultures se situent parmi les meilleures de la littérature pour ce type de substrat : jusqu’à 66 g.L-1 de biomasse totale avec un pourcentage d’accumulation massique de 88% en PHB –PolyHydroxyButyrate- ou en PHB-co-HV -PolyHydroxyButyrate-co-HydroxyValerate- comportant jusqu’à 52% de motifs d’HV.Pour chaque source carbonée, une caractérisation cinétique et stœchiométrique de la souche a été réalisée en l’absence d’effets inhibiteurs dus aux substrats acides grâce à des cultures de type Fed-Batch avec des apports non limitants et non inhibiteurs en carbone. Il a été dégagé :- un taux de croissance maximal de la souche de 0,33 h-1 pour les trois acides étudiés- une relation entre vitesse spécifique de production de PHA et taux de croissance fixée par la disponibilité et les flux de production de NADPH2 avec un découplage inverse pour les taux de croissance supérieurs à 0,05 h-1 et un couplage partiel pour les taux de croissance inférieurs- un optimum de 0,35 Cmole.Cmole-1.h-1, associé à un taux de croissance de l’ordre de 0,05 h-1.- une amélioration de la production de PHB en termes de vitesses spécifiques mais également en termes de rendements si une faible croissance résiduelle est maintenueLa réponse de la souche à un excès de substrat acide a été caractérisée via l’étude de régimes transitoires induits par des pulses sur des cultures continues préalablement stabilisées en régime permanent. Il a été montré qu’en excès de phosphore, face à un brusque excès de substrat, la souche est incapable d’adapter rapidement son taux de croissance. L’excès est donc dirigé vers la production de PHA dont les voies sont plus rapidement mobilisables. En conditions limitantes de phosphore, le substrat excédentaire est utilisé pour la production de PHA. L’inhibition par les acides se traduit par une diminution des capacités de biosynthèse de la biomasse et des PHA entrainant une réduction de l’assimilation du carbone puis une diminution des rendements de conversion. D’autre part la sensibilité d’un système continu à un excès de substrat dépend du point de fonctionnement choisi : plus il est optimal en termes de vitesse, moins le système est robuste. L’acide propionique est très inhibiteur comparé aux autres acides étudiés (dès 3-4 mM contre 30-40 mM). Il n’agit pas simplement via une accumulation excessive dans le cytoplasme mais il exerce également une inhibition spécifique des voies métaboliques.Un antagonisme entre les substrats (acide acétique et butyrique) a été constaté et expliqué grâce à une analyse des flux métaboliques. L’acide acétique est assimilé préférentiellement pour produire la biomasse, l’énergie et les cofacteurs nécessaires à la production de PHA, alors que l’acide butyrique est utilisé pour la synthèse de PHB. La proportion maximale d’acide acétique admise dans l’alimentation en fonction des conditions fixées en régime permanent est calculée et peut être limitée à 40% du carbone.Enfin il a été déterminé que si une croissance résiduelle est assurée grâce à un apport en phosphore, le pourcentage maximal d’HV dans le polymère dépend du taux d’acide propionique dans l’alimentation et ne peux dépasser 33 ± 5% sur acide propionique pur. Par contre, si aucune croissance résiduelle n’est assurée, il est possible de convertir l’acide propionique en motifs d’HV uniquement / Reserve Biopolymer (PolyHydroxyAlkanoates or PHA) accumulation by the strain Cupriavidus necator, from Volatile Fatty Acids (VFA, like butyric acid, propionic acid and acetic acid) was investigated. This production is induced by a phosphorus limitation. For this type of substrates, performances reached during cultures are among the best listed in the literature: up to 66 g.L-1 of total biomass with 88% (w/w) of PHB –PolyHydroxyButyrate- or PHB-co-HV -PolyHydroxyButyrate-co-HydroxyValerate- with a HV content up to 52 Mole%.For each carbon source, kinetic and stoechiometric characterization has been carried out thanks to Fed-Batch cultures with non-limiting and non-inhibitory carbon feed. It has been established:- a maximal growth rate of 0,33 h-1 for the three acid investigated- a relationship between specific PHA production rate and growth rate which is set by the availability and production flux of NADPH2. For growth rate above 0,05 h-1, there is an inverse coupling. For growth rate under 0,05 h-1, there is a partial coupling.- an optimum of 0,35 Cmole.Cmole-1.h-1 is associated with a growth rate of 0,05 h-1.- if a low residual growth rate is maintained, an improvement of PHB production is recorded in terms of specific production rate and yieldsThe response of the strain to an excess of acid substrate was characterized through the investigation of transient state induced by pulsed addition of substrate during continuous cultures stabilized in steady state. It was shown that in excess of phosphorus, when there is a substrate excess, the strain is unable to quickly adapt its growth rate, so the excess is directed to PHA production whose ways seem to be more easily mobilized. Under phosphorus limitation, an excess of substrate is used for PHA production. Acid inhibition results in a decrease in biomass and PHA production capacity which leads to a decrease in carbon assimilation and conversion yields. The sensitivity of a continuous system to an excess of substrate depends on the chosen operating point: the more it is optimal in terms of specific production rate, the less the system is robust. Propionic acid is highly inhibitory compared to the other acids studied (from 3-4 mM versus 30-40 mM). It does not act only via an excessive accumulation in the cytoplasm but also exerts a specific inhibition of metabolic pathways.An antagonism between substrates (acetic and butyric acid) has been established and explained thanks to the Metabolic Flux Analysis. Acetic acid is preferentially used to produce biomass, energy and cofactors for PHA synthesis, whereas butyric acid is used to product PHB. According to the conditions set during steady state, maximal content of acetic acid admitted in the feed can be calculated. It can be limited to 40% of the carbon in the feed.Finally if a growth rate is maintained thanks to a phosphorus supply, the maximal HV content in polymer is function of propionic acid in the feed and cannot exceed 33 ± 5 Mole% on pure propionic acid. Conversely, if there is no residual growth, a total conversion of propionic acid into HV is allowed