L’électro-fermentation est un nouveau levier permettant le contrôle des procédés fermentaires à travers l'utilisation d'électrodes au potentiel contrôlé. Parmi de nombreux substrats fermentaires, le glycérol est une source de carbone largement utilisée issue de l’industrie du biodiesel, et permettant la production de molécules à valeur ajoutée comme le 1,3-propanediol. L'objectif de cette thèse est d'évaluer le potentiel de l’électro-fermentation du glycérol comme moyen de mieux maîtriser les spectres de produits fermentaires dans les procédés mettant en œuvre des cultures mixtes.La thèse étudie dans un premier temps la fermentation du glycérol en cultures mixtes afin de caractériser les principales voies métaboliques d'intérêt en réponse au paramètre environnemental le plus influent pour la fermentation du glycérol (pH). L'effet de l'introduction d'électrodes colonisées par des bactéries électro-actives, capables d'échanger des électrons avec l'électrode et d’autres microorganismes, est ensuite étudié. Ce travail est réalisé en cultures mixtes dans l'objectif d'améliorer le procédé de fermentation en termes de spécificité des métabolites formés et de leur rendement de production. Enfin, un système modèle composé d’une souche fermentaire et une souche électro-active a ensuite été conçu afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de l’électro-fermentation. Cette thèse ouvre de nouvelles possibilités quant à la régulation des balances redox lors de fermentation. L’électro-fermentation ainsi que l’utilisation de bactéries électro-actives ont le potentiel de devenir de puissants outils permettant d’améliorer les rendements et spécificité de production du 1,3-propanediol et d’autres molécules à valeur ajoutée. / Electro-fermentation is a novel tool allowing to control classic fermentation through the use of polarized electrodes. Among all possible fermentation substrates, glycerol is a widely used by-product from the biodiesel industry that can be converted in value-added chemicals such as 1,3-propanediol. This PhD thesis aims at evaluating the potential of glycerol electro-fermentation for the improvement of product specificity in mixed-culture fermentation.As a first step, classic fermentation of glycerol by mixed bacterial consortia was studied in order to characterize the main metabolic pathways according to the main influencing environmental parameter (pH). Then, the addition in fermentation broth of electrodes and electro-active bacteria, able to exchange electrons either with an electrode or other microorganisms has been investigated. This work was carried out in mixed-culture glycerol fermentation in order to optimize products selectivity and yields towards 1,3-propanediol. Finally, a model co-culture constituted of one fermentative and one electro-active species was used to elucidate part of the mechanisms underlying electro-fermentation. This thesis opens a whole new range of possibility regarding the regulation of redox balances in fermentation. Hence electro-fermentation and the use of electro-active bacteria could become efficient tools for improving specificity and yield of 1,3-propanediol and other value-added products in fermentation.

Les biopiles microbiennes sont des sources d’énergies renouvelables utilisant des bactéries qui convertissent une énergie chimique en électricité. Pour cela, l’anode doit collecter les électrons issus des microorganismes. La sélection d’un matériau d’anode possédant de grandes performances est d’une importance cruciale dans la construction d’une biopile microbienne. Le graphène est considéré comme un matériau prometteur avec de grandes possibilités d’application dans de nombreux domaines tels que les batteries Li-ion, les cellules photovoltaïques et les super condensateurs électrochimiques en raison de sa structure nanométrique. Ainsi, la modification de surface par de l’oxyde de graphène réduit a été appliquée à la construction d’anodes pour biopiles microbiennes. La cathode abiotique a aussi été étudiée puisqu’elle présente souvent une limitation cinétique vis-à-vis de la réduction de l’oxygène. Les potentialités des complexes organométalliques, et en particulier les phthalocyanines de nickel, ont été étudiés et appliquées à la construction d’une cathode pour biopile. Ainsi, une biopile hybride à deux compartiments a été construite en combinant une bioanode en mousse d’acier inoxydable modifiée par de l’oxyde de graphène réduite et une cathode en feutre de carbone modifiée avec de la phthalocyanine de nickel. La biopile microbienne ainsi construite utilise du lixiviat de terreau, comme source de microorganismes, pour le développement d’un biofilm électroactif à l’anode et présente une bonne stabilité dans le temps. Le graphène a permis d’obtenir une densité de puissance stable pendant une période 40 jours (24.8 mW/m² en présence d’oxygène pur). La cathode présentée dans ce travail a permis d’obtenir une densité de puissance supérieure à une cathode de platine (7.5 fois supérieur). Par ailleurs, un nouveau design de biopile à deux compartiments a été construit, afin de produire de l’électricité à partir d’une souche pure : Pseudomonas aeruginosa qui est connu pour la formation de biofilm électroactive. Un nouveau design a été proposé, permettant de travailler à alimentation constante et non plus en batch comme cela se fait de manière classique. Cette configuration permet de ne plus avoir de diminution de courant liée à un manque d’apport en carburant. Différents paramètres ont ainsi été explorés tel que le débit d’alimentation, la consommation en glucose dans le compartiment anodique, la variation de pH au cours du temps ainsi que l’évolution de la biomasse. Une première approche d’étude de corrélation de ces différents paramètres est proposée. / Microbial fuel cell (MFC) has been considered as a renewable energy source which uses bacteria to convert chemical energy into electricity. Since the anode, as the electron acceptor for the electroactive bacteria, directly interacts with microorganisms, the selection of high performance anode materials is of crucial importance in the design of a MFC. Recently, graphene has been considered as the intriguing material, attracting strong scientific and technological interest with great application potentials in various fields, such as lithium ion batteries, solar cells and electrochemical super-capacitors, for its unique nanostructure and extraordinary properties. Therefore, surface modification using reduced graphene oxide has been investigated for the construction of anodes. An abiotic cathode has also been investigated since it often has a kinetic limitation regarding the oxygen reduction reaction. The potential of the use of organometallics complexes, and more particularly nickel phthalocyanines (poly-NiTSPc), has been studied and applied to the fabrication of cathodes for biofuel cells applications. Thereby, a dual chamber hybrid MFC has been constructed combining a reduced graphene oxide modified bioanode with a chemical poly-NiTSPc modified carbon felt. This MFC uses compost garden leachate, as source of microorganisms, for the growth of an electroactive biofilm onto the anode and presents an excellent lifetime. Indeed, graphene allowed to obtain a power density stable for 40 fays (24.8 mW/m² with pure oxygen). When the modified carbon felt was used as cathode, the power densities obtained were 7.5 higher than the use of platinum cathode. Furthermore, a new design of a dual chamber MFC has been built up in order to work with a constant flow, to supply continuously substrates to the biofilm formed onto the anode from a pure strain, Pseudomonas aeruginosa, and to avoid to work in a batch as it is usually done. The interest of this configuration is to prevent any current loss due to a lack in supply of substrates. Using this bioreactor as a MFC, different parameters have been explored such as the feed rate and the glucose consumption in the anodic compartment, the evolution of the pH as well as the biomass between the entrance and the exit of the chamber. A first study of the correlation between all these parameters has been proposed.