Durant les cultures cellulaires en bioréacteur, la physiologie des micro-organismes et les paramètres physico-chimiques (alimentations en gaz et en substrat, agitation, température, pH, pression) interagissent très fortement. La spécificité des bioréactions microbiennes, en relation avec les couplages irréductibles entre les transferts de chaleur, de matière et de quantité de mouvement, réside dans la complexité (milieu triphasique) et la dynamique (bioréaction autocatalysé) de ces systèmes. L’objectif de ce travail est de progresser dans la compréhension et le contrôle dynamique des intéractions entre les aspects biologiques et les aspects physiques à différentes échelles (macro, micro et moléculaire) pour conduire la réaction biologique vers l’objectif défini (production de biomasse, de métabolites intra ou extra cellulaires, …) et l’optimiser. Les cellules (concentration, forme, dimension, physiologie, …) affectent fortement les propriétés physico-chimiques des moûts et par conséquent, les performances des bioprocédés (vitesses spécifiques, rendements, productivité). Le comportement rhéologique particulier du moût est souvent utilisé pour comprendre l’impact de la biomasse microbienne sur le rendement et les performances du bioprocédé.Dans ce travail, des cultures axéniques, définies comme des cultures pures de microorganismes unicellulaires procaryote et eucaryote, sont considérées. Notre approche s’appuie sur des mesures physiques et physico-chimiques en ligne et hors ligne réalisées sur un bioréacteur instrumenté, mesures qui sont mises en place de façon à respecter les conditions imposées par les contraintes biologiques propres aux microorganismes et à la stratégie de culture choisie. Des cultures d’Escherichia coli et d’Yarrowia. lipolytica, à taux de croissance controlé par l’apport de substrat, ont été réalisées dans une gamme de concentration allant de 0.1 à 100 g l-1. Le bilan qui peut être dressé pour ce travail, tant sur les aspects scientifiques que technologiques, est le suivant :- conception et réalisation d’un outil d’investigation original construit sur la base d’un bioréacteur (20 l) et pourvu d’une boucle de recirculation instrumentée pour la mesure,- identification hydrodynamique (courbes de frottement) de conduites calibrées permettant la viscosimétrie en ligne durant une culture cellulaire, - conception, développement et validation d’un code, LoCoPREL, permettant simultanément le contrôle de la culture cellulaire suivant une stratégie définie, la gestion de séquences de débit dans la boucle de dérivation et l’acquisition des données issues de l’instrumentation spécifique employée,- comparaison des mesures réalisées en ligne à débit constant ou selon des séquences de débit,- mise en évidence du comportement non newtonien des moûts et d’écarts entre les mesures en ligne et hors ligne,- analyse des mesures physiques réalisées en ligne et hors ligne, en lien avec les performances de la culture / During cell cultures in bioreactors, micro-organism physiology closely interacts with physico-chemical parameters such as gas and feed flowrates, mixing, temperature, pH, pressure. The specificity of microbial bioreactions in relation with irreductible couplings between heat and mass transfers and fluid mechanics, led into complex (three-phase medium) and dynamic (auto-biocatalytics reaction) systems. Our scientific approach aims to investigate, understand and control dynamic interactions between physical and biological systems at different scales (macro, micro and molecular) for molecules, strains and/or bioprocess innovation. Cells (concentration, shape, dimension, physiology…) strongly affect physico-chemical properties of broth. Then the modification of these characteristics interacts with bioprocess performances (specific rates, yields…) with an improvement or, more frequently, a decrease of yields. Among these properties, rheological behaviour is a strategy widely used to understand the impact of cells and the derivation of bioprocess performances.In this manuscript, axenic cultures, defined as cultures of a pure and unicellular Prokaryote and Eukaryote microorganisms in bioreactors, are considered. Our approach is based on physical and physico-chemical on-line and off-line measurements in respect with accurate and stringent conditions imposed by cell culture strategy. Escherichia coli and Yarrowia lipolytica cultures were investigated with a control of growth rate by carbon feed in the range from 0.1 up to 100 g l-1. Our scientific and technical actions and results led:- to design and realize an original pilot based on a bioreactor (20 l) with a derivation loop including a specific on-line rheometric device as well as additional physical and biological measurements,- to identify, from a hydrodynamic standpoint, the generalized friction curves of calibrated ducts enabling on-line viscosimetry during cell cultures,- to conceive and validate a homemade software, named LoCoPREL, enabling simultaneously to control cell cultures under defined strategy and to manage flow sequences within the derivation loop,- to discuss and compare on-line physical measurements under constant flow rate and various sequence strategy related to investigated shear-rates,- to highlight about the non-newtonian rheological behaviour of broths and the gap between on-line and off-line measurements,- to analyse on-line and off-line physical measurements in the light of biological performances during fed-batch cultures (mass balance, specific rate, yield).

Les systèmes de biorétention sont de plus en plus utilisés pour gérer le ruissellement des eaux pluviales urbaines. Bien que les plantes soient une composante essentielle des biorétentions, il existe à ce jour peu de preuves de la contribution des espèces choisies, en particulier dans les climats tempérés à grande variation saisonnière. Aussi, les bactéries et les champignons peuvent jouer un rôle majeur dans la performance des biorétentions en améliorant la qualité de l'eau ou en soutenant l'efficacité des plantes. Mais à ce jour, on sait peu de choses sur les microorganismes peuplant les biorétentions et encore moins sur l'influence des choix de conception de ce système et ses conséquences sur la contribution de ces organismes. D’autre part, en climat froid, l'utilisation de sels de déglaçage génère des ruissellements salins qui pourraient affecter les performances des biorétentions, notamment en impactant les processus biologiques en cours dans le système. Le but de mon étude était de comparer la contribution de la végétation à la performance des biorétentions en fonction de l'espèce plantée, de tester l'impact du ruissellement salin sur l'hydrologie et la filtration des contaminants par le système en fonction des espèces végétales utilisées, et de caractériser l'influence de ces 2 facteurs sur la diversité, la composition et l'abondance relative des bactéries et champignons au sein des biorétentions. J’ai réalisé une expérience en mésocosmes avec 4 espèces végétales couramment utilisées en biorétention et couvrant un large éventail de types biologiques (Cornus sericea, Juncus effusus, Iris versicolor, Sesleria autumnalis). Pour simuler un ruissellement printanier chargé en sel de déglaçage, l'eau de ruissellement semi-synthétique utilisée pour l'irrigation à était complétée au printemps avec quatre concentrations de NaCl (0, 250, 1000 ou 4000 mg Cl/L). Le séquençage des gènes 16S et ITS ont été utilisé comme indicateur de diversité, de composition et d'abondance relative bactérienne et fongique. En général, tous les mésocosmes de biorétention ont significativement réduit les volumes d'eau, les débits de pointe et les charges de contaminants. Certaines plantes améliorent significativement les performances en augmentant la perte d'eau par évapotranspiration pendant la période de croissance (jusqu'à 2,5 fois) et en réduisant le débit d'eau (jusqu'à 2,7 fois). Les plantes ont amélioré l’enlèvement des macronutriments, avec un enlèvement massique moyen de 55 % pour l’Azote total, 81 % pour le Phosphore total et 61 % pour le K, contre -6 % (relargage), 61 % et 22 % respectivement pour les non plantés. À l'exception des Sesleria, l’enlèvement des éléments traces par les mésocosmes plantés était généralement plus élevée que chez les non plantés (jusqu'à 8,7 %). Leur niveau de contribution suivait le même ordre que leur taux d'évapotranspiration et leur taille globale (Cornus > Juncus > Iris > Sesleria). Même à la concentration la plus élevée de NaCl testée, aucun effet sur la réduction du volume d'eau et les débits n'a été détecté. En revanche, le ruissellement chargé en sel a temporairement augmenté l’enlèvement de certains métaux tels que Cr, Ni, Pb et Zn. Dans l’ensemble, les plantes ont très bien toléré le passage du ruissellement chargé de sel au printemps. Tous les mésocosmes ont naturellement été colonisés par des bactéries et des champignons adaptés à un environnement humide et contaminé. Parmi les taxons dominants, plusieurs ont des fonctions en lien avec la performance des biorétentions, telles que l'implication dans le cycle de l'azote, la dégradation des hydrocarbures, la tolérance et la remédiation de métaux, ou des symbiotes végétaux. Ma thèse souligne l'importance du choix des espèces végétales sur la performance des biorétentions. D’une part en raison de leur contribution différentielle à la réduction du volume d'eau, des débits de pointe et l'enlèvement des contaminants, en particulier des macronutriments, et d’autre part à cause de leur influence sur la composition et l’abondance des microorganismes. Même si plusieurs des bactéries et champignons dominants ce système auraient la capacité de contribuer à la performance des biorétentions, d’autres études devront être menées pour vérifier leur activité. Finalement, ma thèse a démontré que la présence de sel de déverglaçage dans le ruissellement ne devrait pas être un frein à la mise en place de cellules de biorétention, puisque qu'aux concentrations habituellement observées à la suite d’épandages, aucun effet négatif sur la performance, la végétation ou les communautés bactérienne et fongique n’a été observé dans la présente thèse. Cependant, la libération des cations structurants du sol et l’exfiltration du sels devrait être faire l’objet d’un suivi à plus long terme. Bien que ces expériences aient permis d'analyser l'effet des espèces végétales et des sels de déverglaçage sur la réduction du volume d'eau, des débits de pointe, l’enlèvement des contaminants, et les micro-organismes, l'extrapolation de ces résultats à grande échelle doit être effectuée avec prudence. En effet, les mésocosmes sont des systèmes artificiels qui ne reproduisent pas entièrement les conditions réelles des biorétentions à grande échelle, notamment en ce qui concerne les températures hivernales inférieures à zéro, et ne sont étudiés qu’un lapse de temps. Aussi, les biorétentions réelles sont rarement plantées en monoculture, de sorte que les interactions entre les espèces végétales et les microorganismes pourraient influencer la performance du système. Pour une application réussie des conclusions de cette étude à l'échelle pratique, il serait essentiel que des projets pilotes valident ces résultats. / Bioretention systems are increasingly used to manage urban stormwater runoff. Plants are an essential component of bioretention, improving water quality and reducing runoff volume and peak flows. Although plants are an essential component of bioretentions, there is little evidence on how their contribution changes according to the species chosen, especially in temperate climates with large seasonal variations. In addition, bacteria and fungi could play a major role in bioretention performance by improving water quality or supporting plant efficiency. But to date, little is known about the microorganisms living in bioretentions and even less about the influence of the design choices of this system and therefore its consequences on the contribution of these organisms. In cold climates, the use of de-icing salts generates saline runoff which could affect the bioretentions performance, especially by reducing biological processes. The aim of my study was to compare the contribution of vegetation to the performance of bioretentions according to the species planted, to test the impact of saline runoff on the hydrology and the filtration of contaminants by the system according to the plant species used, and to characterize the influence of these 2 factors on the diversity, composition and relative abundance of bacteria and fungi within bioretentions. I performed a mesocosm experiment with 4 plant species commonly used in bioretention and covering a wide range of biological types (Cornus sericea, Juncus effusus, Iris versicolor, Sesleria autumnalis). To simulate spring salt-laden runoffs, the semi-synthetic runoff water used for irrigation was supplemented in spring with four concentrations of NaCl (0, 250, 1000 or 4000 mg Cl/L). Sequencing of 16S and ITS genes was used as bacterial and fungal diversity, composition and relative abondance indicator. In general, all bioretention mesocosms significantly reduced water volumes, peak flows, and contaminant loads. Some plants significantly increased the performances, by increasing water loss through evapotranspiration during the growing period (up to 2.5 times) and reducing water flow (up to 2.7 times). Plants improved macronutrients removal, with an average mass removal of 55% for total nitrogen, 81% for total phosphorus and 61% for K compared to –6% (release), 61% and 22% respectively for the unplanted. Except for Sesleria, mass removal of trace elements in planted mesocosms was generally higher than in unplanted ones (up to 8.7%). Their contribution level followed the same order as their evapotranspiration rate and overall size (Cornus > Juncus > Iris > Sesleria). Even at the highest concentration of NaCl tested, no impact on water volume reduction and flow rates were detected. In contrast, salt-laden runoffs temporarily increased removal of some metals such as Cr, Ni, Pb, and Zn. Overall, the plants tolerated the passage of salt runoff in spring. All bioretention mesocosms were naturally colonized by bacteria and fungi adapted to a humid and contaminated environment. Among the dominant taxa, several described functions related to the bioretention performances, such as involvement in the nitrogen cycle, the degradation of hydrocarbons, the tolerance and remediation of metals, or plant symbionts. My thesis emphasizes the importance of the plant species choice on the bioretentions performance. firstly because of their differential contribution to the water volume reduction, peak flows, and the contaminants removal, in particular macronutrients, secondly through their influence on the composition and abundance of microorganisms. Even though several of the dominant bacteria and fungi found would have the ability to contribute to the performance of bioretentions, further studies will be needed to verify their activity. Finally, my thesis demonstrated that the presence of de-icing salt in the runoff should not be a hindrance to the bioretention cells implementation, since at concentrations usually observed following salt spreading, no negative effect on the bioretentions performance, on the vegetation or the bacterial and fungal communities were observed in this thesis. However, the release of soil-structuring cations as well as salts exfiltration should be monitored in the longer term. Although these experiments allowed for the analysis of the effect of plant species and de-icing salts on the reduction of water volume, peak flow rates, contaminant removal, and microorganisms, the extrapolation of these results to a larger scale must be done with caution. Despite the advantage of characterizing the performance of bioretention in mesocosms in terms of replication and factor control, it is important to recognize that this approach also has its limitations. Mesocosms are artificial systems that do not fully replicate the real-world conditions of large-scale bioretention, especially concerning sub-zero winter temperatures and the limited time frame of study. The size of the mesocosms could lead to edge effects, such as preferential flows, while real-world scenarios involve slopes that create heterogeneous conditions within these basins, influencing factors like frequency and quantity of water received. Additionally, real bioretention systems are seldom planted as monocultures, thus interactions between plant species and microorganisms may impact system performance. For successful implementation of the findings of this study on a practical scale, validation through pilot projects would be essential.