Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans la nature, les microorganismes s’organisent en communauté où la concertation de leur métabolisme leur permet de coloniser des endroits peu propices. La biodégradation de la matière organique nécessite un couplage métabolique entre les différents microorganismes impliqués et constitue un modèle de choix pour l'étude des interactions où leurs relations restent mal définies et nécessitent d’être mieux caractérisées. Le décryptage du mécanisme mis en jeu permettrait d'optimiser la production de composés bioénergétiques comme l'hydrogène. Nous avons étudié un consortium composé de Desulfovibris vulgaris Hildenborough, une bactérie sulfato-réductrice et de Clostridium acetobutylicum, une bactérie fermentaire. Ces deux bactéries sont retrouvées dans des consortia naturels impliqués dans la dégradation de la biomasse. Des approches de microbiologie, de métabolisme et de microscopie ont permis de démontrer l’existence d’une interaction physique et d'un échange de molécules cytoplasmiques entre les deux bactéries. Ceci s'associe à une réorientation du flux de carbone dans la bactérie C. acetobutylicum qui se traduit par une production d’hydrogène accrue. Ce comportement est lié aux conditions de stress nutritionnel pour la bactérie D. vulgaris. De plus, des molécules signal de type AI-2 jouent un rôle important dans la mise place de l'interaction physique. Un inhibiteur de cette interaction, produit par D. vulgaris dans certaines conditions, a été découvert. Ce travail a permis d'acquérir de nouvelles connaissances sur les relations métaboliques et les interactions physiques entre les bactéries impliquées dans la biodégradation de la biomasse dans un consortium. / In nature microorganisms live in communities, in which the complementarity of their metabolism allows them to colonize less favourable ecological niches. Biodegradation of organic matter requires tight metabolic coupling between the different microorganisms involved, and constitutes an ideal model for studying the interactions between them, which are still not well established and require further characterization. Furthermore, deciphering the metabolic couplings established between the partners would allow optimization of this process for production of compounds of biotechnological interest, such as hydrogen. During the course of this work we have studied an artificial consortium constituted by Desulfovibris vulgaris Hildenborough sulphate-reducing bacterium, and Clostridium acetobutylicum a fermentative bacterium; both of them are found in natural consortia involved in biomass degradation. Microbiological, metabolic and microscopic approaches allowed us to show the existence of a physical interaction, with exchange of cytoplasmic molecules, between the two bacteria. This is associated with reorientation of the carbon flux in Clostridium acetobutylicum, resulting in increased hydrogen production. This behaviour is linked with the nutritional stress of D. vulgaris. Moreover, AI-2 type signal molecules produced in these conditions are crucial for the physical interaction between the two bacterial partners. An inhibitor produced by D. vulgaris in certain conditions has been discovered. This work has allowed us to acquire new knowledge about metabolic relations and physical interactions between bacteria involved in biomass degradation in a consortium

La fermentation sombre et les piles à combustible microbiennes (MFC) sont deux technologies émergentes respectivement pour la conversion biologique de l'énergie chimique des composés organiques en hydrogène (H2) et en électricité. En raison des avantages cinétiques et thermodynamiques, la température élevée peut être la clé pour augmenter à la fois la production d'H2 de fermentation sombre et la production d'électricité dans les MFC. Par conséquent, cette thèse se concentre sur la manière dont la température influence la production biologique de H2 et d'électricité à partir d'eaux usées contenant du carbone organique. Deux inocula traités thermiquement (à boues activées fraîches et digérées) ont été comparés pour la production de H2 à partir de xylose à 37, 55 et 70 °C. A la fois à 37 et 55 °C, on obtient un meilleur rendement en H2 par les boues activées fraîches comparé aux boues digérées tandis qu'un très faible rendement en H2 est obtenu par les deux inocula à 70 °C. Ensuite, quatre prétraitements d'inoculum différents (chocs acides, alcalins, thermiques et de congélation) ont été évalués pour créer une efficace communauté productrice de H2 mésophile (37 °C) ou thermophile (55 °C). Les chocs acides et alcalins ont sélectionné des micro-organismes producteurs de H2, appartenant aux Clostridiaceae, au détriment des bactéries produisant du lactate, ce qui a donné respectivement le rendement en H2 le plus élevé à 37 et 55 °C. Bien que le choc thermique ait abouti à un faible rendement en H2 dans un seul lot, il a été montré que la production de H2 par les boues activées fraîches traitées thermiquement augmentait dans l'expérience avec quatre cycles consécutifs. Des boues activées fraîches et traitées thermiquement ont été sélectionnées comme inoculum pour la production continue de H2 à partir d'une eau usée synthétique contenant du xylose dans un réacteur à lit fluidisé (FBR) mésophile (37 °C) et thermophile (55-70 °C, augmenté par étapes). Un rendement en H2 plus élevé a été obtenu dans le FBR thermophile que dans le FBR mésophile. En outre, la production de H2 à 70 °C, qui a échoué dans l'étude précédente, a été couronnée de succès dans le FBR, avec un rendement stable de 1.2 mol H2 mol-1 xylose. La température de fonctionnement de 70 °C s'est également révélée optimale pour la production de H2 à partir d'eaux usées thermomécaniques (TMP) dans un incubateur à gradient de température, car la culture en batch à 70 ° C. Une approche de l'ARN a été utilisée pour étudier la structure et le rôle des communautés microbiennes attachées à l'anode, attachées à la membrane et planctoniques dans un MFC mésophile (37 °C) et thermophile (55 °C) alimenté au xylose. Une communauté anodine dominée par Geobacteraceae a soutenu la production d'électricité à 37 °C, alors que l'établissement de micro-organismes méthanogènes et H2 oxydants a entraîné une faible production d'électricité à 55 °C. Cependant, le développement d'une communauté exoélectrogène thermophile peut être favorisé en appliquant une stratégie de démarrage qui comprend l'imposition d'un potentiel négatif à l'anode et l'inhibition chimique des méthanogènes. Une communauté exoélectrogénique mésophile a également été montré pour produire de l'électricité à partir d'eaux usées de TMP dans un MFC à flux ascendant exploité à 37 °C. En conclusion, une production de H2 plus élevé et plus stable peut être obtenu dans une fermentation sombre thermophile plutôt que mésophile. La fermentation sombre à 70 °C est particulièrement appropriée pour le traitement des eaux usées de TMP car elle est libérée à haute température (50-80 °C) et pourrait être traitée sur site. Les eaux usées de TMP peuvent également être utilisées comme substrat pour la production d'électricité dans les MFC mésophiles. La production d'électricité dans les MFC thermophiles est faisable, mais l'enrichissement des micro-organismes exoélectrogènes thermophiles peut nécessiter une longue période de démarrage / Dark fermentation and microbial fuel cells (MFCs) are two emerging technologies for biological conversion of the chemical energy of organic compounds into hydrogen (H2) and electricity, respectively. Due to kinetic and thermodynamic advantages, high temperature can be the key for increasing both dark fermentative H2 production and electricity production in MFCs. Therefore, this thesis focuses on delineating how temperature influences biological production of H2 and electricity from organic carbon-containing wastewaters. Two heat-treated inocula (fresh and digested activated sludge) were compared, for H2 production from xylose at 37, 55 and 70 °C. At both 37 and 55 °C, a higher H2 yield was achieved by the fresh than digested activated sludge, whereas a very low H2 yield was obtained by both inocula at 70 °C. Then, four different inoculum pretreatments (acidic, alkaline, heat and freezing shocks) were evaluated for creating an efficient mesophilic (37 °C) or thermophilic (55 °C) H2 producing community. Acidic and alkaline shocks selected known H2 producing microorganisms belonging to Clostridiaceae at the expenses of lactate producing bacteria, resulting in the highest H2 yield at 37 and 55 °C, respectively. Although a heat shock resulted in a low H2 yield in a single batch, H2 production by the heat-treated fresh activated sludge was shown to increase in the experiment with four consecutive batch cycles.Heat-treated fresh activated sludge was selected as inoculum for continuous H2 production from a xylose-containing synthetic wastewater in a mesophilic (37 °C) and a thermophilic (55-70 °C, increased stepwise) fluidized bed reactor (FBR). A higher H2 yield was obtained in the thermophilic than in the mesophilic FBR. Furthermore, H2 production at 70 °C, which failed in the earlier batch study, was successful in the FBR, with a stable yield of 1.2 mol H2 mol-1 xyloseadded. Operation temperature of 70 °C was also found optimal for H2 production from thermomechanical pulping (TMP) wastewater in a temperature gradient incubator assay.A RNA approach was used to study the structure and role of the anode-attached, membrane-attached and planktonic microbial communities in a mesophilic (37 °C) and a thermophilic (55 °C) two-chamber, xylose-fed MFC. An anode attached community dominated by Geobacteraceae sustained electricity production at 37 °C, whereas the establishment of methanogenic and H2 oxidizing microorganisms resulted in a low electricity production at 55 °C. However, the development of a thermophilic exoelectrogenic community can be promoted by applying a start-up strategy which includes imposing a negative potential to the anode and chemical inhibition of methanogens. A mesophilic exoelectrogenic community was also shown to produce electricity from TMP wastewater in an upflow MFC operated at 37 °C. In conclusion, a higher and more stable H2 yield can be achieved in thermophilic rather than mesophilic dark fermentation. Dark fermentation at 70 °C is particularly suitable for treatment of TMP wastewater as it is released at high temperature (50-80 °C) and could be treated on site. TMP wastewater can be also used as substrate for electricity production in mesophilic MFCs. Electricity production in thermophilic MFCs is feasible, but enrichment of thermophilic exoelectrogenic microorganisms may require a long start-up period

La fermentation sombre est un procédé utilisant des déchets organiques dont le passage à l'échelle pilote est limité par les rendements de production d'hydrogène trop faibles ainsi que par l'utilisation des sous-produits. Cette étude a pour premier objectif d'étudier l'effet du pH, de la combinaison du pH et de la concentration en substrat, du prétraitement du substrat et de l'adaptation de l'inoculum sur la fermentation sombre de trois types de déchet différents. Il a notamment été montré que la biodégradabilité des substrats joue un rôle majeur dans le choix des paramètres opérationnels utilisés pour optimiser la production d'hydrogène. De plus, la faisabilité et la stabilité à long terme de la production d'hydrogène par le procédé de fermentation sombre ont été mises en évidence en utilisant des déchets agroalimentaires et du petit lait dans deux réacteurs thermophiliques fonctionnant en mode semi-continu. En particulier, il a été discuté l'influence de la charge organique (OLR), du temps de rétention hydraulique (HRT) et de l'addition de co-substrats (fumier de buffle) comme source d'alcalinité. Cette étude a montré que la combinaison de ces trois paramètres peut jouer un rôle important sur le pH et la stabilité de la production d'hydrogène. De plus, les sous-produits de la fermentation sombre ont été utilisés pour produire de l'hydrogène via la photo-fermentation, alors que les déchets générés par le couplage de la fermentation sombre et de la photo-fermentation ont été valorisés pour la production de méthane par digestion anaérobie. Ce concept de bioraffinerie basé sur la conversion en trois étapes des déchets agroalimentaires augmente le rendement énergétique global du procédé. Par ailleurs, il a été montré le potentiel important du procédé de photo-fermentation pour la production de polyhydroxybutyrate (polymère), parallèlement à celle d'hydrogène. De même, l'utilisation de la fermentation par voie sèche dans une bioraffinerie concept apparaît prometteuse vis à vis de la production de bioénergie et de molécules telles que les acides organiques et les alcools / Low biohydrogen (H2) yields and use of process by-products from dark fermentation (DF) of waste biomass is limiting its scaled-up application. This study aims to investigate the effects of culture pH, combination of substrate concentration and culture pH, pre-treatment of substrate and inoculum adaptation in H2 yields during the DF of three different wastes biomass. The study showed that the biodegradability of the substrates is important for the selection and application of optimum operational parameters aimed at enhancing H2 production. Moreover, long-term operational feasibility and stability of dark fermentative H2 production was demostrated using food waste and cheese whey in two semi-continuous thermophilic DF reactors. The effect of organic loading rates (OLRs), hydraulic retention times (HRTs) and co-substrates (buffalo manure) addition as a source of alkalinity on culture pH and H2 production stability was discussed. The study showed that combination of OLR, HRT and co-substrate addition could play an important role in the culture pH and stability of H2 production. Furthermore, the by-products of DF process was utilized for H2 production via photo fermentation (PF), while the waste stream generated from coupling of DF and PF processes was converted to methane in anaerobic digestion (AD). The three-step conversion of food waste in a biorefinery concept increased the total energy yields. Moreover, PF also showed a good potential for concomitant production of H2 and polyhydroxybutyrate (biopolymer). Likewise, dry fermentation could be promising to a biorefinery concept based on waste biomass for the production of bioenergy and biochemicals (organic acids and alcohols)

Cette étude vise à étudier l'effet de la composition de substrats organiques solides sur les performances de production d'hydrogène, les voies métaboliques associées et les changements des communautés microbiennes dans un réacteur discontinu (sCSTR). L'hydrogène est un vecteur énergétique idéal qui a gagné en intérêt scientifique au cours de la dernière décennie. L'H2 produit par voie biologique, ou biohydrogène, peut être produit par des procédés de fermentation sombre où les déchets organiques sont traités et avec la production de molécules à haute valeur ajoutée. Cependant, l'effet de la composition des déchets organiques solides sur la production de biohydrogène dans la fermentation sombre n'a pas encore été clairement élucidé. Au cours de cette étude, une revue bibliographique a été réalisée sur la production d'hydrogène à partir de déchets agricoles. Cette revue montre qu'une large gamme de performances en hydrogène peut être observée principalement en raison de la variabilité dans les compositions en même type de substrats et des conditions expérimentales appliquées. Après avoir optimisé un protocole de test de potentiel biohydrogène (BHP), une grande variété de substrats organiques solides visant à couvrir un grand panel de déchets a été testée pour fournir des données comparables à analyser. Les résultats d'une régression PLS ont montré que seuls les sucres solubles ou facilement disponibles éteint corrélaient avec la production d'hydrogène. En outre, les rendements d'hydrogène corrélaient aussi bien avec l'accumulation de butyrate, principale voie productrice de bioH2. Un modèle prédictif du rendement en hydrogène en fonction de la teneur en sucres a été proposé. Ensuite, des expériences ont été menées en réacteur semi-continu (sCSTR) avec le topinambour comme substrat solide. Il a été montré qu'une faible charge organique favorisait une production continue d'hydrogène tandis que l'accroissement de la charge organique introduisait la présence de voies concurrentes à la production d'hydrogène. De plus, les profils des empreintes moléculaires basées sur l'ADNr 16s ont montré que l'augmentation de la charge organique avait un impact significatif sur la diversité microbienne en favorisant l'implantation de microorganismes ne produisant pas d'hydrogène tels que des bactéries lactiques. / This study aims to investigate the effect of solid substrates composition on hydrogen production performances, metabolic pathways and microbial community changes in batch reactor and their dynamics in semi continuous reactors (sCSTR). Hydrogen is an ideal energy carrier which has gained scientific interest over the past decade. Biological H2, so-called biohydrogen, can especially be produced by dark fermentation processes concomitantly with value-added molecules (i.e. metabolic end-products), while organic waste is treated. However, the effect of solid organic waste composition on biohydrogen production in dark fermentation has not yet been clearly elucidated. In this study, a bibliographic review was made on hydrogen production from agricultural waste. This survey on literature showed that diverse performances were reported on hydrogen production due to the variability in substrate compositions and experimental conditions. After having optimized a protocol of biohydrogen potential test (BHP), a wide variety of organic solid substrates aiming to covering a large range of solid waste was tested to provide a comparable data analysis. The results of a PLS regression showed that only soluble carbohydrates or easily available carbohydrates correlated with hydrogen production. Furthermore, hydrogen yields correlated as well with butyrate H2-producing pathway which is consistent with the literature knowledge. A predictive model of hydrogen yield according to carbohydrate content was proposed. Then, experiments were carried out in sCSTR with Jerusalem artichoke tubers as a case study. It was shown that low organic loading rate favored continuous hydrogen production while higher organic loading introduced hydrogen competition pathways and decreased the overall hydrogen yields. Moereover, 16S rRNA gene based CE-SSCP profiles showed that increasing OLR had a significant effect on the microbial diversity by favoring the implementation of microorganisms not producing hydrogen, i.e. lactic acid bacteria.

La vinasse est le déchet liquide retiré de la base de colonnes de distillation de l'éthanol de canne à sucre à hauteur de 12 à 15 litres par litre d'alcool, ce qui entraîne une production estimée à environ 350 milliards de litres en 2012/2013 au Brésil. La vinasse a un pH faible et une forte demande chimique en oxygène, ce qui peut provoquer la désertification des terres, si elle est utilisée en excès comme amendement. En outre, une contamination des eaux souterraines liée aux épandages est observée dans certaines régions. L'aptitude de la vinasse à jouer le rôle de source d'éléments nutritifs pour la production de biohydrogène et d'acides gras volatils par des consortia microbiens anaérobies a été évaluée. Deux différents milieux à base de vinasse ont été proposés, un avec l’addition de jus de canne à sucre et l’autre avec l’addition de la mélasse comme source de carbone, et ont été comparés à un milieu supplémenté en saccharose. Des cultures bactériennes pures (4) et des consortia microbiens (7) ont été cultivées dans les milieux proposés et la production des acides gras volatils (AGV) et de biohydrogène ont été evalués. Le consortium LPBAH1, originaire d’un lac d’une ferme laitière et sélectionné pour la fermentation de la vinasse avec du jus de canne à sucre, conduit à un rendement en H2 de 7,14 molH2/molsucrose et à une teneur en hydrogène dans le biogaz d'env. 31% après optimisation. Par ailleurs, le processus optimisé en utilisant le consortium LPBAH2, originaire de fèces de chauves-souris frugivores, permet d'obtenir 3,66 molH2/molsucrose et 32,7% d'hydrogène dans le biogaz. Le processus proposé est d'une grande importance pour donner une destination plus rationnelle de la vinasse et d'élargir le bouquet énergétique brésilien en réduisant sa dépendance des combustibles fossiles. / Vinasse is the liquid waste removed from the base of sugarcane ethanol distillation columns at a ratio of 12-15 liters per liter of alcohol, resulting in an estimated production of approx. 350 billion liters in 2012/2013 in Brazil. Vinasse has a low pH and high chemical oxygen demand, which can cause land desertification when indiscriminately used as fertilizer. Also, underground water contamination is being observed in some regions. We evaluated the potential of vinasse as nutrient source for biohydrogen and volatile fatty acids production by means of anaerobic consortia. Two different vinasse-based media were proposed, using sugarcane juice or molasses as carbon source, and were compared to fermentation in a sucrosesupplemented medium. Pure cultures (4) and consortia (7) were cultured in the propose media and evaluated for volatile fatty acids (VFAs) and biohydrogen production. The consortium LPBAH1, originated from faeces of fruit bat, was selected for fermentation of vinasse supplemented with sugarcane juice and resulted in a higher H2 yield of 7.14 molH2/molsucrose and hydrogen content in biogas of approx. 31% after process optimization. Similarly, the optimized process using the consortium LPBAH2, originated from a lake of a dairy farm, resulted in 3.66 molH2/molsucrose and 32.7% hydrogen content in biogas. The proposed process is of great importance for giving a more rational destination to vinasse and expanding Brazilian energy matrix, reducing the dependence of fossil fuels.

L'hydrogène, qui constitue une solution alternative et durable à l’usage d’énergies fossiles, est produit essentiellement par reformage de combustibles fossiles (95%). Des filières de production plus soucieuses de l'environnement sont envisagées. Deux familles de technologies sont explorées: 1) par décomposition thermochimique ou électrochimique de l'eau et 2) à partir de différentes sources de biomasse. Parmi celles-ci, les cellules d'électrolyse microbienne ou «Microbial electrolysis cell (MEC)» permettent de produire de l'hydrogène par électrolyse de la matière organique. Une MEC consiste en une cathode classique qui assure la production d'hydrogène par la réduction électrochimique de l'eau, associée à une bioanode qui oxyde des substrats organiques en dioxyde de carbone. Ce processus d'oxydation n'est possible que grâce au développement sur l'anode d'un biofilm microbien électroactif qui joue le rôle d'électro-catalyseur. Par rapport aux procédés courants d'électrolyse de l'eau, une MEC requière un apport énergétique 5 à 10 fois plus faibles. En outre, les procédés « classiques » de production de bio-hydrogène par voie fermentaire en cultures mixtes convertissent des sucres avec des rendements limités à 2-3 moles d'hydrogène par mole d'hexose tout en coproduisant des acides organiques. Alimenté par de l'acétate, une MEC produit au maximum 3 moles d'hydrogène/mole d'acétate. Le couplage de la fermentation à un procédé d'électrolyse microbienne pourrait donc produire de 8 à 9 moles d'hydrogène/mole d'hexose, soit un grand pas vers la limite théorique de 12 moles d'hydrogène/mole d'hexose. L'objectif de cette thèse est d'analyser les liens entre la structure des communautés microbiennes dans les biofilms électroactifs et en fermentation, les individus qui les composent et les fonctions macroscopiques (électroactivité du biofilm, production d'hydrogène) qui leur sont associées dans des conditions permettant de réaliser le couplage des deux procédés. L'originalité de cette étude a été de travailler en milieu salin (30-35 gNaCl/L), favorable au transport de charges dans l'électrolyte de la MEC. Dans un premier temps, la faisabilité de la fermentation en conditions salines (3-75 gNaCl/L) a été démontrée en lien avec l'inhibition de la consommation de l'hydrogène produit et une forte prédominance d'une nouvelle souche de Vibrionaceae à des concentrations en sel supérieures à 58 gNaCl/L. D'autre part, la mise en œuvre de biofilms électroactifs dans des conditions compatibles avec la fermentation sombre a permis la sélection d'espèces dominantes dans les biofilms anodiques et présentant des propriétés électroactives très prometteuses (Geoalkalibacter subterraneus et Desulfuromonas acetoxidans) jusqu'à 8,5 A/m². En parallèle, la sélection microbienne opérée lors d'une méthode d'enrichissement utilisée pour sélectionner ces espèces à partir d'une source d'inoculum naturelle sur leur capacité à transférer leurs électrons à des oxydes de Fer(III) a été étudiée. Une baisse des performances électroactives du biofilm liée à une divergence de sélection microbienne dans ces deux techniques de sélection mène à limiter le nombre de cycle d'enrichissement sur Fer(III). Cependant, l'enrichissement sur Fer(III) reste une alternative efficace de pré-selection d'espèces électroactives qui permet une augmentation de rendement faradique de 30±4% à 99±8% par rapport au biofilm obtenu avec un inoculum non pré-acclimaté. Enfin, l'ajout d'espèces exogènes issues de la fermentation sombre sur le biofilm électroactif a révélé une baisse de l'électroactivité du biofilm se traduisant par une diminution de la densité de courant maximale produite. Cette baisse pourrait s'expliquer par à une diminution de la vitesse de transfert du substrat due à un épaississement apparent du biofilm. Cependant, un maintien de sa composition microbienne et de la quantité de biomasse laisse supposer une production d'exopolymères (EPS) dans le biofilm en situation de couplage. / Nowadays, alternative and sustainable solutions are proposed to avoid the use of fossil fuel. Hydrogen, which constitutes a promising energy vector, is essentially produced by fossil fuel reforming (95%). Environmentally friendly production systems have to be studied. Two main families of technologies are explored to produce hydrogen: 1) by thermochemical and electrochemical decomposition of water and 2) from different biomass sources. Among those last ones, microbial electrolysis cells (MEC) allow to produce hydrogen by electrolysis of organic matter. A MEC consists in a classical cathode, which provides hydrogen production by electrochemical reduction of water, associated to a bio-anode that oxidizes organic substrates into carbon dioxide. This process is only possible because of the anodic development of an electroactive microbial biofilm which constitutes an electrocatalyst. In comparison to classical water electrolysis process, a MEC requires 5 to 10 times less electrical energy and therefore reduces the energetic cost of produced hydrogen. Furthermore, classical process of dark fermentation in mixed cultures converts sugars (saccharose, glucose) to hydrogen with a limited yield of 2-3 moles of hydrogen per mole of hexose because of the coproduction of organic acids (mainly acetic and butyric acids). Fed with acetate, a MEC can produce up-to 3 moles of hydrogen per mole of acetate. Therefore, the association of these two processes could permit to produce 8 to 9 moles of hydrogen per mole of hexose, which represents a major step toward the theoretical limit of 12 moles of hydrogen per mole of hexose.Therefore, this work aims at analyzing the relationship between microbial community structures and compositions and the associated macroscopic functions (biofilm electroactive properties, hydrogen production potential) in electroactive biofilms and in dark fermentation in conditions allowing the coupling of the two processes. The originality of this study is to work in saline conditions (30-35 gNaCl/L), which favors the charges transfer in the MEC electrolyte.First of all, feasibility of dark fermentation in saline conditions (3-75 gNaCl/L) has been shown. This was linked to an inhibition of produced hydrogen consumption and the predominance of a new Vibrionaceae species at salt concentrations higher than 58 gNaCl/L. Secondly, electroactive biofilm growth in conditions compatibles to dark fermentation (pH 5.5-7 and fed with different organic acids) allowed to select dominant microbial species in anodic biofilms that present promising electroactive properties (Geoalkalibacter subterraneus and Desulfuromonas acetoxidans) with maximum current densities up to 8.5 A/m². In parallel, the microbial selection occurring during iron-reducing enrichment method used to select species from a natural inoculum source and based on their capacity to transfer electrons to iron oxydes (Fe(III)) has been studied. A decrease of electroactive performances of the biofilm linked to the divergence of microbial selection led to a limitation of the number of iron-enrichment steps. However, enrichment on Fe(III) presents an efficient alternative to pre-select electroactive species with an increase of coulombic efficiency from 30±4% to 99±8% in comparison with a biofilm obtained with a non-acclimated inoculum. Finally, the addition of exogenous bacteria from a dark fermenter on the electroactive biofilm revealed a decrease of electroactivity with a decrease of maximum current density produced. This diminution could be explained by a lower substrate transfer due to an apparent thickening of the biofilm. Nevertheless, the stability of microbial composition and of bacterial quantity on the anode suggests that a production of exopolymers (EPS) occurred.

Les microorganismes photosynthétiques suscitent un intérêt biotechnologique important pour la production de dihydrogène. La cyanobactérie Synechocystis sp. PCC 6803 est capable d'initier une photoproduction d'hydrogène catalysée par une hydrogénase [NiFe] bidirectionnelle qui se présente sous la forme d'un complexe pentamérique (HoxEFUYH). Toutefois l'inhibition de cette enzyme par l'oxygène émis par le photosystème II rend cette photoproduction transitoire et constitue un verrou majeur au développement de tels procédés. L'exploitation de ces organismes impose une meilleure compréhension des bases moléculaires associées à la sensibilité de l'hydrogénase envers l'oxygène ainsi que des composantes limitant son activité de production d'H2, ce qui implique la connaissance détaillée des jeux d'interactions avec ses partenaires physiologiques NAD(P)+/NAD(P)H.Diverses substitutions d'acides aminés potentiellement impliqués dans la sensibilité de l'enzyme à l'O2 et situés au cœur du site actif (Ileu64, Leu107, Leu112) de la sous-unité catalytique HoxH ont été réalisées. Les résultats in vitro et in vivo indiquent une sensibilité envers l'O2 moindre chez le mutant I64M, qui présente une diffusion limitée et un biais vers l'activité de production d'H2.L'étude des interactions de mutants de délétion des gènes diaphorase hoxE et hoxF avec les cofacteurs NAD(P) a montré que NAD+/NADH semblent être les partenaires privilégiés de l'hydrogénase pour le transfert d'électrons, tandis que le NADPH a un effet activateur sur l'enzyme.Ces études apportent des éléments importants pour envisager une optimisation ciblée et maîtrisée pour la bioproduction d'H2. / Oxygenic photosynthetic organisms are a matter of great biotechnological interest for the production of dihydrogen using what seem to be infinite resources, water and solar energy. The cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 encodes a bidirectional [NiFe] hydrogenase consisting of a pentameric complex (HoxEFUYH) that allows it to carry H2 photoproduction. However, it is a transient process, mainly due to the oxygen sensitivity of hydrogenases, O2 being produced at PSII during photosynthesis. Future exploitation of these organisms in bioprocesses requires a better understanding of the molecular bases of O2 sensitivity of the hydrogenase and of the elements limiting H2 evolution which involves detailed knowledge of the interactions of the enzyme with its physiological partners NAD(P)+/NAD(P)H.Various mutants of the Synechocystis hydrogenase were created by genetic engineering, targeting specific amino acid residues (Ileu64, Leu107, Leu112) in the catalytic subunit HoxH identified as putative critical elements for O2 sensitivity. Results obtained in vitro and in vivo indicate that the substitution I64M slightly improves O2 tolerance and alters gas diffusion kinetics with a bias towards H2 production. Studying the interaction of diaphorase gene-deletion mutants hoxF and hoxE with partners NAD(P) showed that NAD+/NADH are the preferential electron acceptor/donor of the hydrogenase, while NADPH is more efficient for enzyme activation.These studies provide first insights on the determinants of the oxygen sensitivity of the hydrogenase of Synechocystis and its activation, which are critical elements to consider in targeted optimization for bioproduction of H2.

Cette thèse de doctorat porte sur la valorisation du déchet solide issu de la préparation de la mélasse de caroube libanaise pour la production de bioénergie et de molécules à valeur ajoutée. L’analyse de la composition de ce déchet a montré qu’il contient 45 % (g/g) de sucres, substrats exploitables pour la fermentation alcoolique ou lactique, la production de biohydrogène, ou comme source de carbone pour la croissance d’une algue dans un procédé de phycoremédiation (traitement des eaux par les algues) pour l’élimination de micropolluants pharmaceutiques. Les résultats obtenus ont montré que la fermentation alcoolique en phase liquide à partir d’extraits de déchet de caroube peut conduire à des rendements élevés en bioéthanol sous réserve d’enrichir le milieu de culture par les éléments nécessaires pour la croissance de la levure Saccharomyces cerevisiae (en particulier l’azote), tandis qu’il est possible de produire directement le bioéthanol sur le déchet par fermentation en milieu solide sous réserve de contrôler précisément l’humidité. Nous avons également démontré que la fermentation lactique par immobilisation de Lactobacillus rhamnosus sur des billes d’alginate constitue une alternative possible au bioéthanol pour les sucres extraits du déchet. Cependant, un enrichissement du milieu de culture, ainsi que l’utilisation d’une invertase en prétraitement sont nécessaires afin de maximiser le rendement et la productivité de l’acide lactique. L’immobilisation des microorganismes a permis de réutiliser les mêmes billes d’alginate au cours de cinq cycles successifs de production. Une autre alternative potentielle aux voies précédentes est la fermentation sombre pour la production de biohydrogène directement à partir du déchet. Si des rendements intéressants ont été atteints, il faut noter que comme précédemment dans le cas de la fermentation solide du déchet, une forte dépendance aux conditions initiales de broyage a été mise en évidence ; de plus, à la carence en azote qui obligeait à supplémenter les milieux en fermentation en phase liquide s’ajoutent des besoins en fer. Enfin, l’utilisation du déchet comme substrat carboné dans un procédé de phycoremédiation avec l’algue Ankistrodesmus braunii a montré que l’élimination de 90% du diclofénac initial pouvait être atteinte en conditions de mixotrophie, même si seulement un tiers du diclofénac éliminé est effectivement métabolisé par l’algue. / This PhD thesis deals with the valorization of the solid waste generated by the Lebanese carob molasse process with the aim to produce bioenergy or high added-value platform molecules. The chemical analysis of this waste has highlighted that it contains 45% (w/w) sugars, which can be used as a substrate for alcoholic or lactic fermentation, the production of biohydrogen by dark fermentation, or as a carbon source for the growth of microalgae in a phycoremediation process (water treatment process based on algae/microalgae) for the removal of pharmaceutical micropollutants. Experimental results have shown that high ethanol yield and productivity could be achieved through alcoholic fermentation in the liquid phase using extracts from carob waste as the substrate, provided the culture medium was enriched by complementary nutrients (especially a nitro-gen source) to enhance the growth of the yeast Saccharomyces cerevisiae; in parallel, the direct production of ethanol from the solid waste based on solid-state fermentation was also proved to be efficient, provided humidity was accurately controlled. In addition, lactic fermentation per-formed with immobilized Lactobacillus rhamnosus on alginate beads was shown to constitute a potential alternative to bioethanol for the extracts from carob waste. An enriched culture medium was, however, necessary, together with the use of an invertase enzyme as a pretreatment so as to maximize the yield and the productivity of lactic acid. Using microorganism immobilization lead to the opportunity to recycle at least five times alginate beads in successive culture cycles. Another potential alternative to the above-mentioned valorization pathways was proved to lie in the dark fermentation process for biohydrogen production, directly using the solid waste. While attractive yields were reached, a strong dependence on the particle size from grinding pretreatment was emphasized, as in solid-state fermentation; moreover, iron supplementation in the culture medium was compulsory, in addition to nitrogen supplementation already described when fermentation was carried out in the liquid phase. Finally, when the carob waste was used as a substrate for the growth of the algae Ankistrodesmus braunii in a phycoremediation process, a removal yield of the initial diclofenac content about 90% could be reached under mixotrophic conditions, even though only one third of the diclofenac removed was effectively metabolized.

A ce jour, le contexte énergétique mondial est dominé par une utilisation massive des énergies fossiles non-renouvelables et épuisables par nature. La production de biohydrogène de 2ème génération issu de déchets organiques par le procédé de fermentation sombre constitue donc une solution attractive pour diversifier le mix énergétique actuel. Dans ce cadre, l’objectif de ce travail est d’étudier l’influence de la qualité du mélange sur l’efficacité de la voie fermentaire sombre. En effet, les conditions d’agitation mécanique (type d’agitateur, vitesse d’agitation) et la viscosité du digestat (fonction des intrants en cours de culture), comptent parmi les paramètres abiotiques les moins étudiés à ce jour dans ce procédé. Or, l’agitation joue un rôle clé puisqu’elle doit permettre non seulement d’homogénéiser la phase liquide riche en bactéries, en substrats organiques, en métabolites et en biogaz soluble, mais aussi de favoriser les échanges de matière liquide-bactéries et liquide-gaz. Cependant, pour atteindre la qualité de mélange requise, il faut faire face à deux contraintes : d’une part il faut maintenir un niveau acceptable de stress mécanique pour les bactéries du consortium ; d’autre part, la puissance mécanique consommée par l’agitation doit rester limitée pour assurer la viabilité économique du procédé. Dans ce travail, les effets combinés de la viscosité du digestat et de la vitesse d’agitation des mobiles sur la production de biohydrogène dans un bioréacteur ont été étudiés dans un premier temps. Les résultats ont montré une influence significative de ces deux facteurs sur la productivité en biohydrogène qui a pu être reliée au nombre adimensionnel de Reynolds et au régime d’écoulement du digestat. Un maximum de productivité a été observé lors de la transition laminaire-turbulent. Dans un deuxième temps, des méthodes de détermination du temps de mélange (conductimétrie, décoloration chimique, Fluorescence Induite par Nappe Laser) et du transfert de matière liquide-gaz (désoxygénation/oxygénation) ont été mises en oeuvre dans les mêmes conditions de viscosité et d’agitation afin de rechercher les étapes limitantes pouvant expliquer les évolutions observées lors des essais de fermentation. Les résultats ont montré que transfert interfacial et mélange ne sont limitants qu’en régime laminaire, alors que les faibles productivités en régime turbulent résultent vraisemblablement d’une interaction entre la turbulence et les agrégats bactériens. Ensuite, l’écoulement dans le bioréacteur a été modélisé par une approche de type Mécanique des Fluides Numérique (CFD) et analysé par une méthode de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) afin de déterminer les échelles spatiales locales de la turbulence et de pouvoir les comparer à la dimension caractéristique des agrégats bactériens. Les mesures locales confirment les hypothèses émises à partir des valeurs moyennes observées. Finalement, un modèle de type ADM1 (Anaerobic Digestion Model N°1) standard a été modifié en prenant en compte les ions lactate et un modèle hydrodynamique de type « cascade de cellules » dans le but de simuler la production de biohydrogène en systèmes batch et continu. Les simulations sont en bon accord avec les résultats expérimentaux dans les deux modes de culture en supposant un réacteur parfaitement mélangé. En conclusion, l’ensemble de ce travail confirme que la viscosité du digestat et les conditions de mélange sont effectivement des paramètres essentiels à prendre en compte pour l’optimisation et l’extrapolation du procédé de fermentation sombre. / The global energy trends are currently dominated by a massive use of fossil non-renewable energy sources which are progressively depleting. In this way, the production of second-generation biohydrogen production from organic wastes by the dark fermentation process offers, therefore, an attractive solution to diversify the present energy mix. Within this framework, the aim of this work is to investigate the effect of the efficiency of the mixing process on dark fermentation. The conditions of mechanical agitation (mixer type, mixing speed) and the viscosity of the digestate (which depends on the variability of influent substrate concentration) are, indeed, among the abiotic factors that have been the most disregards up to now in this bioprocess. For example, mixing plays a key role because agitation conditions must ensure on the one hand the homogenization of the liquid phase enriched in bacteria, in organic substrate, in soluble metabolites, and in soluble biogas, and in the other hand promote liquid-to-bacteria and liquid-to-gas mass transfer. However, to reach the desired degree of mixing, two constraints must be faced: firstly, an acceptable level of mechanical stress must be maintained on the microbial consortium, and secondly, mechanical power input due to mixing must comply with the economic sustainability of the process. In this work, the combined effects of digestate viscosity and agitation conditions on the fermentative biohydrogen production in the bioreactor were studied first. Experimental results highlighted a significant effect of these factors on biohydrogen productivity which could be expressed as function of the purely hydrodynamic dimensionless Reynolds number and of the prevailing flow regime. Hydrogen production was maximized in the transition region between laminar and turbulent flow conditions. Secondly, experimental measuring methods of mixing time (conductimetric, chemical decolorization and Planar Laser Induced Fluorescence techniques) and mass transfer (dynamic deaeration/aeration) were implemented in the same conditions of viscosity and agitation conditions so as to investigate the possible limiting steps that could explain the trends observed in the mixed cultures. The results proved that mixing and liquid-gas transfer was slower than hydrogen production rate only in the laminar flow regime, while low production rate under turbulent flow conditions might stem from an interaction between turbulent eddies and bacterial aggregates. Then, the flow field in the bioreactor was simulated using a CFD (Computational Fluid Dynamics) methodology and analyzed experimentally using PIV (Particle Image Velocimetry) to determine the characteristic turbulent length scales and to compare them to the characteristic size of the bacterial aggregates. Local measurements confirmed the assumptions made from average values derived from power input data. Finally, a modified ADM1 model (Anaerobic Digestion Model N°1) was developed to simulate the biohydrogen production, accounting for lactate ions and non-ideal mixing, under batch and continuous culture conditions. Simulations fairly agree with experimental data in both modes of cultures assuming perfect mixing condition. As a conclusion, the present work as a whole confirms that digestate viscosity and mixing conditions constitute key parameters that must be considered for process optimization and for the scale-up of dark fermentation.