Les effluents de distillerie de mélasse de canne à sucre génèrent une pollution environnementale due à, d’une part de grands volumes et d’autres part à la présence de composés de couleur brune foncée, connus sous le nom de mélanoïdines. Dans cette étude, un consortium bactérien CONS8 isolé dans des sédiments de chute d'eau a été choisi comme consortium apte à la décoloration de la mélasse. On a montré que le consortium CONS8 pouvait décolorer, trois eaux usées synthétiques différentes, élaborées respectivement à base de Viandox (13,48% v/v), d’eau usée de mélasse de betterave (41,5% v/v) ou d’eau usée de mélasse de canne à sucre (20% v/v). Les décolorations obtenues en 2 jours seulement, en fioles d’Erlenmeyer sont respectivement de 9,5, à 8,02 et à 17,5%. Quatre bactéries prédominantes ont été identifiées dans le consortium CONS8 par l'analyse de l'rADN 16S. Sur la base de cette identification, et afin de réaliser la décoloration la plus élevée, un consortium bactérien artificiel MMP1 a été reconstruit avec Klebsiella oxytoca, Serratia mercescens (T2) et la bactérie inconnue DQ817737 (T4). Dans des conditions optimisées (aération, pH) le consortium bactérien MMP1 a permis de décolorer l'eau usée synthétique contenant de la mélanoidine à 18,3% en 2 jours. La comparaison de la décoloration par le consortium MMP1 avec un milieu abiotique a démontré que la décoloration était principalement due à l'activité biotique des cellules bactériennes, sans aucun phénomène d'adsorption. Un complément en minéraux et vitamines B n'a pas amélioré la décoloration de mélanoïdines avec le consortium bactérien MMP1. Enfin, les performances d'un bioréacteur à membrane pour traiter les eaux résiduaires synthétiques contenant de la mélanoïdine ont été évaluées à l’échelle du laboratoire. L'ensemencement du réacteur a été réalisé avec un inoculum sur la base du consortium MMP1. Le réacteur a fonctionné sous plusieurs conditions de temps de séjour hydrauliques (HRT) de 15, 20, et 40 heures. Les performances ont été analysées en termes de DCO (demande chimique en oxygène), décoloration et croissance de biomasse. Les résultats ont indiqué qu’une efficacité accrue d’élimination de la DCO et de la couleur ont été obtenues avec le HRT le plus long. / Distillery effluent from sugarcane molasses leads to an environmental pollution due to its large volume and the presence of dark brown colored compounds, known as melanoidins. In this study, a bacterial consortium CONS8 isolated from waterfall sediments in Maehongsorn province was selected as a molasses-decolorizing consortium. Consortium CONS8 was able to decolorize, only within 2 days, in Erlenmeyer flasks, three different synthetic wastewaters containing either Viandox sauce (13.5% v/v), beet molasses wastewater (41.5% v/v) or sugarcane molasses wastewater (20% v/v) at 9.5, 8.0 and 17.5%, respectively. Four predominant bacteria present in the consortium CONS8 were identified by the 16S rDNA analysis. To achieve the highest decolorization, the artificial bacterial consortium MMP1 comprising Klebsiella oxytoca, Serratia mercescens (T2) and unknown bacterium DQ817737 (T4), was constructed. Under optimized conditions (aeration, pH), the bacterial consortium MMP1 was able to decolorize the synthetic melanoidins-containing wastewater at 18.3% within 2 days. The comparison of decolorization by the consortium MMP1 with abiotic control proved that the color removal for synthetic melanoidins-containing wastewater medium was mainly due to biotic activity of bacterial cells, without any adsorption phenomena. Supplement of nutrients and vitamin B did not promote melanoidins decolorization by bacterial consortium MMP1. Finally, the performance of a membrane bioreactor (MBR) for synthetic melanoidins-containing wastewater treatment was investigated at laboratory scale, with a mineral membrane. The reactor seeding was made with the MMP1 bacterial consortium inoculum. The reactor was performed with several hydraulic retention times (HRT) of 15, 20, and 40 hours. The performances were analyzed in terms of COD, color removal and biomass in the reactor. The results indicated that the higher COD and color removal efficiency were achieved with the longer HRT.

De nos jours, les cultures mixtes sont considérées comme une sérieuse alternative aux cultures pures pour les procédés de biotechnologie. En effet, les cultures mixtes peuvent fonctionner en réacteur continu, dans des conditions non-stériles et traiter une grande variété de substrats organiques. La principale restriction de l'utilisation de ces bioprocédés en cultures mixtes réside dans leur instabilité liée à la présence de voies métaboliques non désirées résultant d'interactions microbiennes complexes. Notamment, le rôle des bactéries de faible abondance reste à être élucidé. Ce travail a donc consisté, dans un premier temps à déterminer le rôle des bactéries minoritaires dans la production d'hydrogène par voie fermentaire en utilisant un chémostat alimenté en continu avec un milieu à base de glucose. Sept inocula ont été cultivés dans les mêmes conditions opératoires. De façon remarquable, Clostridium pasteurianum a été retrouvé comme espèce dominante de l'écosystème six fois sur sept. Seules la nature et la diversité des espèces minoritaires variaient d'un écosystème à l'autre. Ainsi, il a été montré que la structure des communautés microbiennes a une influence significative sur la production de bio-hydrogène. Au sein de ces communautés, les bactéries en proportion minoritaires jouent un rôle clé en orientant le métabolisme globale de l'écosystème. La deuxième étape de ce travail a consisté à utiliser certaines de ces espèces minoritaires comme Ingénieurs Ecologiques des Ecosystèmes microbiens (IEEM). Pour cela, la structure d'une communauté microbienne productrice d'hydrogène a été modifiée artificiellement en introduisant des souches bactériennes exogènes aux fonctions redondantes et/ou complémentaires des souches indigènes. Les résultats en réacteur batch ont montré que les performances de production d'hydrogène pouvaient être améliorées jusqu'à un facteur 3,5 par l'ajout de certaines souches. Dans l'ensemble, les résultats obtenus ne peuvent être expliqués par de simples interactions trophiques et suggèrent la présence de mécanismes d'interactions de coopération entre microorganismes. De plus, sous des conditions opératoires plus favorables (inoculum, milieu), l'insertion de certaines espèces minoritaires a permis plutôt de stabiliser le métabolisme de l'écosystème microbien sans pour autant en affecter favorablement la production d'hydrogène. Dans tous les cas, les interactions compétitives n'ont pas été favorables à la production d'hydrogène. Enfin, des essais en réacteur continu ont montré que le mode d'implantation des souches peut être un facteur primordial pour l'utilisation d'IEEM. En conclusion, ce travail a montré la potentialité d'utiliser des bactéries exogènes, en proportions minoritaires, comme facteurs biotiques pour stabiliser et/ou orienter les métabolismes microbiens vers des fonctions d'intérêt au sein des cultures mixtes microbiennes. / Nowadays mixed cultures are considered as a serious alternative to pure cultures in biotechnological processes. Mixed cultures can be operated continuously, under unsterile conditions and from various organic substrates. One of the most constraints remains the chronic instability of the mixed culture processes due to the presence of unwanted metabolic pathways resulting from complex microbial interactions. More particularly the role of bacteria in low abundance remains to be elucidated. Therefore this work consisted initially to determine the contribution of sub-dominant bacteria to fermentative hydrogen production using a chemostat continuously fed with a glucose-based medium. Seven inocula were grown under the same operating conditions. Interestingly, Clostridium pasteurianum was found as dominant in six assays on seven at steady state. Only the minority bacterial population differed with regards to their identity and diversity. Acting as true keystone species, these minority bacteria impacted substantially the metabolic network of the overall ecosystem despite their low abundance. In a second step, this work consisted in using some of these minority species as Ecological Engineers of Microbial Ecosystem (EEME). In order to study this aspect, the structure of a hydrogen-producing microbial community has been artificially modified by adding exogenous bacterial strains with redundant functions and/or complementary native strains. Results in batch reactors have shown that the hydrogen production performances could be improved to a 3.5 factor by the addition of certain strains. Results obtained can not be explained by simple trophic interactions and suggest the presence of interaction mechanism of cooperation among microorganisms. Moreover, under more favourable operating conditions (inoculum, culture medium), the addition of certain species in low abundance could stabilize the metabolism of microbial ecosystem without necessarily favourably affect the hydrogen production. In all cases, competitive interactions were not favourable for hydrogen production. Trials were then realised in continuous reactors. These trials have shown that the method used to implant strains in reactors could be a key factor for using the EEME.As a conclusion, this study has shown the potential to use exogenous bacteria, in minority proportions, as biotic factors to stabilised and/or guides microbial metabolisms to functions of interest within microbial mixed cultures.

La levure et la microalgue sont des microorganismes très étudiés pour la production de composés à haute valeur ajoutée pour des secteurs tels que l’agroalimentaire et l’énergie. Ce travail de thèse propose un procédé de culture mixte entre la levure Saccharomyces cerevisiae et la microalgue Chlorella vulgaris pour la croissance des deux espèces tout en limitant le rejet en CO2. Le procédé repose sur la symbiose mutuelle entre les deux organismes autour des échanges de gaz, qui est rendu possible en imposant une co-dominance en termes de population. Les populations doivent être équilibrées pour que les microalgues puissent gérer la production de CO2. Le procédé est réalisé en photo-bioréacteur de 5 litres non-aéré et fermé, afin d’éviter les échanges gazeux avec l’environnement externe. Dans cette configuration, le CO2 est produit sous forme dissoute et directement accessible aux microalgues, évitant les phénomènes de dégazage et de dissolution. Les populations de levures et de microalgues atteignent une concentration égale (20 millions de cellules par ml) au bout de 24 heures de culture, restent stables jusqu’à la fin de la culture (168 heures) et les microalgues recyclent 12% du CO2 produit par les levures. Un modèle cinétique de la levure et de la microalgue en culture mixte est développé en combinant les modèles individuels de la levure et de la microalgue. Le modèle prédictif de la levure prend en compte les possibles voies métaboliques impliquées dans la fermentation et la respiration de ces voies est prédite en y intégrant des facteurs de limitation. Le modèle de la microalgue est basé sur l’activité photosynthétique. Les résultats de ce travail montrent la faisabilité du procédé de culture mixte entre hétérotrophe et autotrophe et pourrait apporter les bases pour le développement d’un procédé écologique à faible impact environnemental. / Yeast and microalgae are microorganisms widely studied for the production of high-value compounds used in food and energy area. This work proposes a process of mixed culture of Saccharomyces cerevisiae and Chlorella vulgaris for both growth and CO2 mitigation. The process relies on mutual symbiosis between the two organisms through gas exchange, which is possible by engineering the co-dominance of populations. The two populations must be balanced in such a way so that microalgae can cope with the rate of CO2 production by the yeast activity. The process is performed in non-aerated 5l-photo-bioreactor fitted with a fermentation lock to prevent gas exchange with the outside atmosphere. With this set-up, the CO2 is produced in dissolved form and is available to the microalgae avoiding degassing and dissolution phenomena. The two organism populations are balanced at approximately 20 millions cells per ml, 12% CO2 produced by yeast was reutilized by microalgae within 168 hours of culture. A yeast and microalgae growth model in mixed culture is developed by combining each individual growth model. The predictive yeast model considers the possible metabolic pathways involved in fermentation and respiration and imposes limitation factors on these pathways, in this manner, the model can predict the partition of these pathways. The microalgae individual model is based on the photosynthetic activity. The results of this work show the feasibility of such process and could provide a basis for the development of a green process of low environmental impact.