La recherche de sources d’énergie fiables ayant un faible coût environnemental est en plein essor. L’hydrogène, étant un transporteur d’énergie propre et simple, pourrait servir comme moyen de transport de l’énergie de l’avenir. Une solution idéale pour les besoins énergétiques implique une production renouvelable de l’hydrogène. Parmi les possibilités pour un tel processus, la production biologique de l’hydrogène, aussi appelée biohydrogène, est une excellente alternative. L’hydrogène est le produit de plusieurs voies métaboliques bactériennes mais le rendement de la conversion de substrat en hydrogène est généralement faible, empêchant ainsi le développement d’un processus pratique de production d’hydrogène. Par exemple, lorsque l’hydrogène est produit par la nitrogénase sous des conditions de photofermentation, chaque molécule d’hydrogène constituée requiert 4 ATP, ce qui rend le processus inefficace. Les bactéries photosynthétiques non sulfureuses ont la capacité de croître sous différentes conditions. Selon des études génomiques, Rhodospirillum rubrum et Rhodopseudomonas palustris possèdent une hydrogénase FeFe qui leur permettrait de produire de l’hydrogène par fermentation anaérobie de manière très efficace. Il existe cependant très peu d’information sur la régulation de la synthèse de cette hydrogénase ainsi que sur les voies de fermentation dont elle fait partie. Une surexpression de cette enzyme permettrait potentiellement d’améliorer le rendement de production d’hydrogène. Cette étude vise à en apprendre davantage sur cette enzyme en tentant la surexpression de cette dernière dans les conditions favorisant la production d’hydrogène. L’utilisation de résidus organiques comme substrat pour la production d’hydrogène sera aussi étudiée. / The search for alternative energy sources with low environmental impact is in great expansion. Hydrogen, an elegant and simple energy transporter, could serve as means of transporting energy in the future. An ideal solution to the increasing energy needs would imply a renewable production of hydrogen. Out of all the existing possibilities for such a process, the biological production of hydrogen, also called biohydrogen, is an excellent alternative. Hydrogen is the end result or co-product of many pathways in bacterial metabolism. However, such pathways usually show low yields of substrate to hydrogen conversion, which prevents the development of efficient production processes. For example, when hydrogen is produced via nitrogenase under photofermentation conditions, each hydrogen molecule produced requires 4 molecules of ATP, rendering the process very energetically inefficient. Purple non-sulfur bacteria are highly adaptive organisms that can grow under various conditions. According to recent genomic analyses, Rhodospirillum rubrum and Rhodopseudomonas palustris possess, within their genome, an FeFe hydrogenase that would allow them to produce hydrogen via dark fermentation quite efficiently. Unfortunately, very little information is known on the regulation of the synthesis of this enzyme or the various pathways that require it. An overexpression of this hydrogenase could potentially increase the yields of substrate to hydrogen conversion. This study aims to increase our knowledge about this FeFe hydrogenase by overexpressing it in conditions that facilitate the production of hydrogen. The use of organic waste as substrate for hydrogen production will also be studied.

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.

La recherche de sources d’énergie fiables ayant un faible coût environnemental est en plein essor. L’hydrogène, étant un transporteur d’énergie propre et simple, pourrait servir comme moyen de transport de l’énergie de l’avenir. Une solution idéale pour les besoins énergétiques implique une production renouvelable de l’hydrogène. Parmi les possibilités pour un tel processus, la production biologique de l’hydrogène, aussi appelée biohydrogène, est une excellente alternative. L’hydrogène est le produit de plusieurs voies métaboliques bactériennes mais le rendement de la conversion de substrat en hydrogène est généralement faible, empêchant ainsi le développement d’un processus pratique de production d’hydrogène. Par exemple, lorsque l’hydrogène est produit par la nitrogénase sous des conditions de photofermentation, chaque molécule d’hydrogène constituée requiert 4 ATP, ce qui rend le processus inefficace. Les bactéries photosynthétiques non sulfureuses ont la capacité de croître sous différentes conditions. Selon des études génomiques, Rhodospirillum rubrum et Rhodopseudomonas palustris possèdent une hydrogénase FeFe qui leur permettrait de produire de l’hydrogène par fermentation anaérobie de manière très efficace. Il existe cependant très peu d’information sur la régulation de la synthèse de cette hydrogénase ainsi que sur les voies de fermentation dont elle fait partie. Une surexpression de cette enzyme permettrait potentiellement d’améliorer le rendement de production d’hydrogène. Cette étude vise à en apprendre davantage sur cette enzyme en tentant la surexpression de cette dernière dans les conditions favorisant la production d’hydrogène. L’utilisation de résidus organiques comme substrat pour la production d’hydrogène sera aussi étudiée. / The search for alternative energy sources with low environmental impact is in great expansion. Hydrogen, an elegant and simple energy transporter, could serve as means of transporting energy in the future. An ideal solution to the increasing energy needs would imply a renewable production of hydrogen. Out of all the existing possibilities for such a process, the biological production of hydrogen, also called biohydrogen, is an excellent alternative. Hydrogen is the end result or co-product of many pathways in bacterial metabolism. However, such pathways usually show low yields of substrate to hydrogen conversion, which prevents the development of efficient production processes. For example, when hydrogen is produced via nitrogenase under photofermentation conditions, each hydrogen molecule produced requires 4 molecules of ATP, rendering the process very energetically inefficient. Purple non-sulfur bacteria are highly adaptive organisms that can grow under various conditions. According to recent genomic analyses, Rhodospirillum rubrum and Rhodopseudomonas palustris possess, within their genome, an FeFe hydrogenase that would allow them to produce hydrogen via dark fermentation quite efficiently. Unfortunately, very little information is known on the regulation of the synthesis of this enzyme or the various pathways that require it. An overexpression of this hydrogenase could potentially increase the yields of substrate to hydrogen conversion. This study aims to increase our knowledge about this FeFe hydrogenase by overexpressing it in conditions that facilitate the production of hydrogen. The use of organic waste as substrate for hydrogen production will also be studied.

La lignocellulose est le composant principal des parois végétales et donc le biopolymère végétal le plus abondant sur Terre. Sa transformation en molécules d’intérêt industriel est donc une voie prometteuse pour diminuer la consommation de ressources fossiles. Au sein de la plateforme des carboxylates, la transformation de la lignocellulose repose sur l’utilisation de communautés bactériennes. Mais s’ils sont augmentés par des approches de prétraitement du substrat, les rendements sont encore faibles. Afin de les améliorer, nous avons ici testé les capacités de dégradations de communautés microbiennes issues de l’enrichissement de rumen bovin et d’intestin de termites. Afin de caractériser l’effet de la source d’inoculum et du prétraitement du substrat sur le fonctionnement des communautés sélectionnées, une approche de séquençage 16S a été utilisée. Celle-ci a permis la comparaison des compositions de communautés obtenues, mais également de leurs dynamiques au cours de la transformation du substrat lignocellulosique. Les conditions de culture imposées semblent avoir un effet très fort sur la composition des communautés sélectionnées puisque malgré leurs différences, celles-ci présentent d’importantes similitudes et sont bien plus proches que ne l’étaient les inocula initiaux. Enfin, les communautés associées à la dégradation du substrat lignocellulosique montrent des dynamiques très marquées, caractérisées par une importante baisse de diversité et la dominance de quelques populations bactériennes seulement lors du maximum de dégradation. / Lignocellulose is the main component of vegetal cell wall and is thus the most abundant biopolymer on Earth. Its conversion into industrially relevant molecules is of concern to reduce fossil resources consumption. In the dedicated carboxylates platform, lignocellulose conversion relies on the metabolic potential of microbial consortia, but lignocellulose transformation rates can still be improved, despite substrate pretreatment approaches. In order to improve these rates, we here tested the transformation capacities of microbial communities originated from cow rumen and termite guts. 16S sequencing was used to characterize the effects of inoculum source and substrate pretreatment on the selected communities’ functioning. It allowed the comparison between obtained communities, but also between their dynamics during lignocellulose transformation. Culture conditions appeared to have a strong effect on the selected communities, which presented high similarities despite differences between initial inocula. Finally, communities associated to lignocellulose degradation showed marked dynamics, with a strong decrease in diversity indexes and the dominance of a few bacterial populations during the degradation maximum.