De multiples micro-organismes ont la capacité de catalyser l’oxydation électrochimique de matières organiques en s’organisant en biofilm à la surface d’anodes. Ce processus est à la base de procédés électro-microbiens très innovants tels que les piles à combustible microbiennes ou les électrolyseurs microbiens. L’interface biofilm/électrode a été l’objet de nombreuses étudesdont les conclusions restent difficiles à démêler en partie du fait de la diversité des paramètres interfaciaux mis en jeu. L’objet de ce travail de thèse est d’exploiter les technologies microsystèmes pour focaliser l’impact de la topographie de surface des électrodes sur le développement du biofilm et sur ses performances électro-catalytiques. La formation de biofilmsélectroactifs de Geobacter sulfurreducens a été étudiée sur des électrodes d’or présentant des topographies bien contrôlées, sous la forme de rugosité, porosité, réseau de piliers, à des échellesallant du nanomètre à quelques centaines de micromètres. La présence de microrugosité a permis d’accroitre les densités de courant d’un facteur 8 par rapport à une surface lisse et son effet a étéquantifié à l’aide du paramètre Sa. Nous avons tenté de distinguer les effets des différentes échelles de rugosité sur le développement du biofilm et la vitesse des transferts électroniques.L’intérêt de la microporosité a été discuté. L’accroissement de surface active par la présence de micro-piliers s’est avéré très efficace et une approche théorique a donné des clés de compréhension et d’optimisation. Les connaissances acquises dans les conditions de culture pure ont finalement été confrontées avec la mise en oeuvre de biofilms multi-espèces issus d’un inoculum complexe provenant de sédiments marins.

Les piles à combustible microbiennes (PCMs) sont des dispositifs bio-électrochimiques qui utilisent des biofilms bactériens électroactifs afin de catalyser des réactions d'oxydoréduction anodique et/ou cathodique pour générer de l'énergie électrique. Afin de promouvoir le développement et la connexion des biofilms, points clé dans les performances des PCM, la surface de l'anode de graphite est fonctionnalisée par des unités pyridine. Celles-ci sont greffées de façon covalente via la réduction électrochimique de cations diazopyridinium, formés in situ à partir de précurseurs amine, en s'inspirant de la méthode d'électrogreffage des sels d'aryle diazonium. Cela permet d'obtenir une interface très robuste. En comparant la réactivité de différents dérivés aminopyridine et les propriétés des couches greffées résultantes, la réduction des cations para-diazopyridinium conduit à des films fins et compacts, bien adaptés pour favoriser l'adhésion bactérienne et le transfert d'électrons entre la surface de l'anode et les bactéries électroactives. La présence d'unités pyridine immobilisées en surface de l'anode permet un développement plus rapide du biofilm et des performances accrues de la PCM pour des biofilms jeunes. Par comparaison, une anode modifiée par des multicouches de polyphénylène puis colonisée par un biofilm bactérien se révèle moins efficace pour la catalyse de l'oxydation de l'acétate. La nature et les propriétés physicochimiques de l'électrolyte sont également un paramètre important dans le développement du biofilm bactérien. Les liquides ioniques à température ambiante présentent des propriétés uniques, notamment en termes de solvatation, et leur utilisation dans des applications biotechnologiques a récemment émergé. Toutefois, leurs effets sur les biofilms bactériens restent encore peu connus. L'ajout d'une sélection de liquides ioniques hydrophiles et hydrophobes à base de cations imidazolium ou pyridinium dans l'anolyte, même en très faible quantité, ou immobilisés à la surface de l'anode inhibe le développement du biofilm. / Microbial Fuel Cells (MFCs) are bio-electrochemical devices based on electroactive bacterial biofilms which catalyze the electron transfer both at the anode and cathode to generate electrical power. To enhance the biofilms development and to improve the biofilm-electrode connection, being both key features in the performance of the MFC, the graphite anode was functionalized by pyridine units. In order to ensure a robust interface, pyridine units are grafted covalently through the electrochemical reduction of diazopyridinium cations in situ formed from aminopyridine precursors, following the well-known electrografting method for aryl diazonium salts. By comparing the reactivity of various aminopyridine derivatives and the resulting grafted layers properties, the para-diazopyridinium cations reduction results in a thin and compact layer, which is the best suited for promoting bacterial adhesion and favorable electron transfer between the anode surface and electroactive bacteria. The presence of pyridine units immobilized on the anode surface leads to a faster biofilm development together with increased MFC performances for young biofilms. In contrast, anode modified with polyphenylene multilayers and then colonized by a bacterial biofilm has been proved to be less effective for the catalysis of acetate oxidation. On the other hand, the nature of the electrolyte and the physicochemical properties are also important parameters for the bacterial biofilm development. Room temperature ionic liquids have unique properties, particularly in terms of solvation, and their use in biotechnological applications has recently emerged. However, their effects on bacterial biofilms remain little known. The addition of a selection of hydrophilic and hydrophobic ionic liquids based on imidazolium or pyridinium cations in the anolyte, even in very small quantities, or immobilized at the anode surface inhibited the biofilm development.

De multiples micro-organismes ont la capacité de catalyser l’oxydation électrochimique de matières organiques en s’organisant en biofilm à la surface d’anodes. Ce processus est à la base de procédés électro-microbiens très innovants tels que les piles à combustible microbiennes ou les électrolyseurs microbiens. L’interface biofilm/électrode a été l’objet de nombreuses étudesdont les conclusions restent difficiles à démêler en partie du fait de la diversité des paramètres interfaciaux mis en jeu. L’objet de ce travail de thèse est d’exploiter les technologies microsystèmes pour focaliser l’impact de la topographie de surface des électrodes sur le développement du biofilm et sur ses performances électro-catalytiques. La formation de biofilmsélectroactifs de Geobacter sulfurreducens a été étudiée sur des électrodes d’or présentant des topographies bien contrôlées, sous la forme de rugosité, porosité, réseau de piliers, à des échellesallant du nanomètre à quelques centaines de micromètres. La présence de microrugosité a permis d’accroitre les densités de courant d’un facteur 8 par rapport à une surface lisse et son effet a étéquantifié à l’aide du paramètre Sa. Nous avons tenté de distinguer les effets des différentes échelles de rugosité sur le développement du biofilm et la vitesse des transferts électroniques.L’intérêt de la microporosité a été discuté. L’accroissement de surface active par la présence de micro-piliers s’est avéré très efficace et une approche théorique a donné des clés de compréhension et d’optimisation. Les connaissances acquises dans les conditions de culture pure ont finalement été confrontées avec la mise en oeuvre de biofilms multi-espèces issus d’un inoculum complexe provenant de sédiments marins. / Many microorganisms have the ability to catalyze the electrochemical oxidation of organic matterby self-organizing into biofilm on the surface of anodes. This process is the basis of highlyinnovative electro-microbial processes such as microbial fuel cells or microbial electrolysis cells.The biofilm/electrode interface has been the subject of numerous studies whose conclusionsremain difficult to disentangle partly because of the diversity of the interfacial parameters involved.The purpose of this thesis work is to exploit microsystem technologies to focus the impact ofelectrode surface topography on biofilm development and electro-catalytic performance. Theformation of electroactive biofilms of Geobacter sulfurreducens was studied on gold electrodespresenting well-controlled topographies, in the form of roughness, porosity, pillar networks, atscales ranging from nanometer to a few hundred micrometers. The presence of micro-roughnessincreased the current densities by a factor of 8 compared to a smooth surface and its effect wasquantified using the Sa parameter. We have tried to distinguish the effects of different roughnessscales on biofilm development and electron transfer rates. The suitability of micro-porosity wasdiscussed. The increase of active surface area by the presence of micro-pillars has proved veryeffective and a theoretical approach has given keys to understanding and optimization. Theknowledge acquired under pure culture conditions was finally confronted with the use of multispeciesbiofilms formed from a complex inoculum coming from marine sediments.

L’élimination des micropolluants organiques est devenue aujourd’hui un objectif de santé publique car leur toxicité et bioaccumulation au travers de la chaine trophique sont incontestables. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et le nonylphénol (NP) présents en faible concentration dans l’eau usée sont peu éliminés par le traitement. Ces composés hydrophobes se retrouvent fortement sorbés à la matière organique des boues de station d’épuration. Les procédés de traitement de ces boues, comme la digestion anaérobie (DA) jouent un rôle central car ils constituent une des dernières barrières avant rejet vers l’environnement par épandage. La DA élimine les HAP et le NP mais les performances restent insatisfaisantes. L’objectif de cette thèse est d’améliorer les performances d’élimination des HAP et NP par la DA en utilisant l’électrolyse microbienne et l’ajout des matériaux conducteurs. Les résultats montrent que le graphite poreux permet de lever deux limites à la bioremédiation des HAP: le manque d'accepteurs d'électrons terminaux et la biodisponibilité limitée des HAP. En effet, le graphite poreux semble faciliter l'échange direct d'électrons avec la communauté syntrophique anaérobie ce qui améliore les performances d’hydrolyse de la matière et des contaminants associés, particulièrement, l’élimination de 12 HAP est accrue de 21 à 33 %. Pour le NP, les processus impliqués semblent être différents car aucune amélioration n’est observée quelles que soient les conditions.. L’addition du graphite non-poreux (avec une surface spécifique moindre) et du platine (avec une conductivité plus élevée) n’éliminait que deux HAP de faible poids moléculaire suggérant que la conductivité ne constitue pas un facteur majeur dans la dissipation des HAP. L’ajout du graphite poreux en plus grande quantité, par contre, n’a pas confirmé l’hypothèse qu’une augmentation de surface spécifique du matériau conducteur accroit également l’élimination des HAP. Lors de la DA assistée par différents matériaux, un enrichissement de méthanogènes hydrogénotrophs a été constaté qui pourra être à la racine des performances observées. Dans ce contexte, la composition microbienne de l’inoculum joue un rôle majeur dans l’ampleur d’une biodégradation des HAP. L'utilisation de matériaux conducteurs abordables tels que le graphite poreux et non-poreux pourrait présenter une stratégie de biodégradation alternative pour éliminer les HAP des boues, du sol ou des sédiments. / The elimination of organic micropollutants from the environment has become a public health goal today because of their toxicity and bioaccumulation through the trophic chain. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and nonylphenol (NP) are found at low concentrations in wastewaters. They are removed from wastewaters by sorption onto sewage sludge due to their hydrophobicity. Anaerobic digesiton (AD) that is used for sewage sludge treatmentThe treatments of these sludge, like anaerobic digestion (AD), therefore, plays a central role in reducing the micropollutant load before dissemination to the environment via sludge spreading. Removal performances of PAHs and NP are removed byunder AD are, yet, but limitedwith low performances. The aim of this PhD work is to enhance removalthese performances thanks to the use of two emerging techniques, microbial electrolysis and the addition of conductive materials. The results demonstrate that independent of the application of a potential porous graphite circumvents two limits of PAH bioremediation: the lack of terminal electron acceptors and PAHs’ limited bioavailability. Mediatorless electron exchange between the anaerobic syntrophic community and the conductive material presumably facilitates sludge hydrolysis which, in turn, leads to the enhanced bioavailability of PAHs and their subsequent biodegradation. The reductions of 12 PAHs were improved by 21 to 33% while NP was eliminated to the same extent in the digesters with and without conductive material. The addition of non-porous graphite (with less specific surface) and platinum (exhibiting higher conductivity) eliminated only two low molecular weight PAHs suggesting that conductivity is not a major factor in the dissipation of PAHs. The addition of porous graphite in larger quantities, however, did not support the hypothesis that an increase in specific surface area of the conductive material also enhances the removal of PAHs. During conductive material supplemented AD, an enrichment of hydrogenotrophic methanogens was ascertained which could be at the root of the removal performance. In this context, the microbial composition of the inoculum plays a major role in the extent of PAH biodegradation. The use of affordable conductive materials such as porous and non-porous graphite may present an alternative biodegradation strategy for removing PAHs from sludge, soil or sediments.