La détection de gaz potentiellement dangereux représente une problématique d’actualité pour la protectiondes personnes mais aussi un enjeu d’avenir pour le stockage des énergies renouvelables. Les outils desimulations développés au sein du Département Temps-Fréquence de l’Institut FEMTO-ST, associés aux outilstechnologiques proposés par la centrale MIMENTO ont permis la mise au point de capteurs SAW apportantdes réponses à ces problématiques. Ces derniers fondés sur les propriétés des ondes de Love ont ainsi permis ladétection du monoxyde de carbone dans la gamme du ppm. De même, la mesure de concentration d’hydrogènede l’ordre du pourcent a pu être réalisée par le biais de dispositifs s’appuyant sur les ondes Rayleigh. Les effortsfournis pour l’optimisation des dispositifs électro-acoustiques ont aboutis à la réalisation de lignes à retard surquartz affchant des pertes d’insertion de 16 dB. La limitation de ces pertes, généralement de l’ordre de 25 dB à30 dB sur quartz, augmente les potentialités de nos capteurs en terme d’autonomie et de fonctionnalisation desurface. La connaissance des phénomènes physiques gouvernant leur fonctionnement représente, à notre sens,la base de leur développement futur. De cette idée découle notre démarche d’identification et de compréhensionde ces derniers par le biais des différentes techniques de caractérisations et d’analyses disponible au sein denotre l’institut. Des pistes, telles que le recours à un alliage métallique pour la fonctionnalisation des surfacessensibles et la mise en œuvre d’une méthode de séparation des puces limitant les perturbations du signal directdes dispositifs électro-acoustiques, ont été explorées et ont permis d’améliorer la réponse des capteurs. Lepotentiel des composants à ondes élastiques guidée pour la détection de grandeurs chimiques en phase gazeusea pu être établi sur la base des résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse. Dans la continuité decette dernière, deux projets de recherche (P-AIR et SMARTY) visant le contrôle de la qualité de l’air en milieuurbain ont d’ors et déjà été engagés. / The detection of hazardous gas is a topical issue for the protection of persons. Besides, it represents a challenge linked to the storage of renewable energy. Simulation tools developed within the Time and Frequency Department attached to the FEMTO-ST Institute together with technological facilities available at MIMENTO center have enabled the development of SAW sensors providing answers to these issues. These Love wave’sbased sensors properties have enabled the detection of carbon monoxide in the ppm range. Similarly, hydrogen concentrations of the percent order has been measured by mean of Rayleigh wave’s based sensors. The efforts to optimize electro-acoustic devices have led to achieve delay lines built on quartz with insertion losses of 16 dB.Usually around 25 dB to 30 dB, the reduction of the insertion losses improves the potential of these sensorsin terms of autonomy and surface functionalization. Knowledge of the physical phenomena governing theoperation of these sensors represent the basis of their future development. Thus, different characterization and analysis techniques available in our institute have been carried out to reveal these phenomena. From there, the functionalization of sensor’s sensitives surfaces with metallic alloys and implementation of a chip separation method limiting the disturbance of the direct signal of the electro-acoustic devices, have been explored to improve the performance of the sensors. Based on the experimental results obtained in this thesis, the potential of elastic guided wave’s sensors applied to the detection of chemical quantities in gas phase can be established.In continuation of this study, two projects (P-AIR and SMARTY) dedicated to the control of the urban air quality have already been engaged.

L'objectif général de la thèse est de caractériser la distribution géographique, les cycles saisonniers et l'évolution récente de l'ozone et du monoxyde de carbone dans la haute troposphère - basse stratosphère (UT - LS) au-dessus de huit régions d'intérêt, aux moyennes latitudes de l'hémisphère Nord. Pour cela, nous avons analysé les observations aéroportées IAGOS. Nous avons montré une tendance positive de l'ozone dans l'UT sur 1994 - 2013, et une tendance négative du monoxyde de carbone liée à la décroissance des émissions en surface. Nous avons comparé les mesures à la simulation de composition chimique sur le climat récent issue du modèle MOCAGE dans l'exercice d'intercomparaison CCMI. Pour ce faire, nous avons développé une nouvelle méthode permettant de projeter les mesures IAGOS sur le maillage du modèle et de traiter ainsi 20 ans d'observations. Cette méthode s'est révélée pertinente pour évaluer la simulation et pourrait être étendue à d'autres simulations et d'autres modèles. / The overall objective of the thesis is to characterize the geographical distribution, seasonal cycles and recent trends of ozone and carbon monoxide in the upper troposphere- lower stratosphere (UT-LS) over eight regions of interest, in the northern mid-latitudes. For this purpose, we first analyzed the IAGOS airborne observations. We have shown a positive trend in ozone in the UT over 1994-2013, and a negative trend in carbon monoxide, the latter being linked to the decrease in surface emissions. We then compared the observations to the recent climate chemical composition simulation performed by the MOCAGE model in the CCMI intercomparison exercise. To do this, we have developed a new method to project IAGOS measurements onto the model grid, allowing us to process long observation periods. This method has proven to be relevant for evaluating the simulation and could be extended to other simulations and models.

Ces travaux de recherche ont consisté à mettre au point un nouveau prototype compact et miniaturisé d'instrument de mesure basée sur la technique de Fluorescence par Faisceau d'Electrons (FFE). Cet instrument est un canon à électrons destiné à la caractérisation d'écoulements hypersoniques à basses densités en vol à bord de démonstrateurs de rentrée atmosphérique. Les paramètres à mesurer sont les températures de rotation (TR), de vibration (TV) et les densités d'espèces telles que N2 et NO pour une rentrée atmosphérique terrestre et N2, CO, CO2 pour une rentrée atmosphérique martienne. La première partie de cette étude a été consacrée à la conception du prototype de canon à électrons destiné à des mesures embarquées. Nous avons ainsi choisi les différents composants avec des spécifications techniques compatibles avec un cahier des charges typique d'un instrument spatial. Les tests de qualification et de stabilité du faisceau d'électrons ont été réalisés en caisson à vide dans un gaz statique, ce qui a permis une première validation du fonctionnement du canon à électrons de 20 keV avec un courant de faisceau de 1 mA se propageant sur une distance de 30 cm avec peu de dispersion pour des pressions inférieures au millibar. Le prototype a été testé sur différents gaz et mélanges afin de mettre au point un modèle de dispersion. Deux campagnes de mesures en soufflerie aérodynamique (CNRS MARHy et ONERA F4) ont permis de valider le bon fonctionnement du prototype sous vide et/ ou en conditions d'écoulement libre et en présence d'une onde de choc. Une analyse spectroscopique a permis de valider les codes de simulation et d'inversion de spectres et d'identifier la majeure partie des systèmes vibrationnels et rotationnels issus des transitions électroniques, vibrationnelles et rotationnelles de N2, CO et CO2 et des espèces ionisées associées.

Au cours des dernières décennies, l’intérêt pour la gazéification de biomasses a considérablement augmenté, notamment en raison de la grande efficacité de recouvrement énergétique de ce procédé par rapport aux autres procédés de génération de bioénergies. Les composants majoritaires du gaz de synthèse, le monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène (H2) peuvent entre autres servir de substrats à divers microorganismes qui peuvent produire une variété de molécules chimiques d’intérêts, ou encore produire des biocarburants, particulièrement le méthane. Il est donc important d'étudier les consortiums méthanogènes naturels qui, en syntrophie, serait en mesure de convertir le gaz de synthèse en carburants utiles. Cette étude évalue principalement le potentiel de méthanisation du CO par un consortium microbien issu d’un réacteur de type UASB, ainsi que les voies métaboliques impliquées dans cette conversion en conditions mésophiles. Des tests d’activité ont donc été réalisés avec la boue anaérobie du réacteur sous différentes pressions partielles de CO variant de 0.1 à 1,65 atm (0.09 à 1.31 mmol CO/L), en présence ou absence de certains inhibiteurs métaboliques spécifiques. Dès le départ, la boue non acclimatée au CO présente une activité carboxidotrophique relativement intéressante et permet une croissance sur le CO. Les tests effectués avec de l’acide 2- bromoethanesulfonique (BES) ou avec de la vancomycine démontrent que le CO est majoritairement consommé par les bactéries acétogènes avant d’être converti en méthane par les méthanogènes acétotrophes. De plus, un plus grand potentiel de méthanisation a pu être atteint sous une atmosphère constituée uniquement de CO en acclimatant auparavant la boue. Cette adaptation est caractérisée par un changement dans la population microbienne désormais dominée par les méthanogènes hydrogénotrophes. Ceci suggère un potentiel de production à large échelle de biométhane à partir du gaz de synthèse avec l’aide de biofilms anaérobies. / Syngas produced through the thermal gasification of biomass for energy recovery has received increased attention in the past decades due to its higher efficiency compared to other bioenergy processes. The gas components of syngas, CO and H2, can serve as substrates for the conversion of desirable chemicals and fuels, namely methane, by a wide range of microorganisms. Meanwhile, anaerobic wastewater-treating sludges have been reported as good sources of carboxidotrophic microorganisms which can be exploited for methane production. Thus it is important to investigate existing methanogenic consortiums which, in syntrophy, are able to convert syngas into useful fuels. This study is mainly focused on the assessment of the carboxidotrophic methanogenic potential present in a natural consortium of microorganisms from a UASB reactor and the identification of CO conversion routes to methane under mesophilic temperatures. To achieve this, a series of kinetic-activity tests with the anaerobic sludge were performed under CO partial pressures varying from 0.1 to 1.65 atm (0.09-1.31 mmol/L) in both the presence and absence of specific metabolic inhibitors. The non-adapted sludge presented an interesting carboxidotrophic activity potential for growing conditions on CO alone. Inhibition experiments with 2- bromoethanesulfonic acid (BES) and vancomycin showed that CO was converted mainly to acetate by acetogenic bacteria, which was further transformed to methane by acetoclastic methanogens. Moreover, it was possible to achieve higher methanogenic potential under 100% CO by acclimation of the sludge. This adaptation led to a shift in the microbial population predominated by hydrogenophilic methanogens. This suggests a possible enrichment potential with anaerobic biofilms for large scale methane production from CO-rich syngas, and further advances the knowledge base for anaerobic reactor development.

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours. / Gasification is today one of the most promising strategies to recover energy from waste. This thermo-chemical technology allows a 95% weight reduction of the input and generates inorganic inert ashes as well as a synthesis gas (syngas). Syngas is a gaseous fuel mainly composed of carbon monoxide (CO), hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO2). Syngas can be burned to produce heat and electricity. It is also the building block of many high added- value products ranging from ethanol to ammonia and pure hydrogen. Downstream applications of syngas production will depend on its heating value, which is determined by its content in H2. Upgrading the H2 content in syngas is performed by the water-gas shift (WGS) reaction, widely utilized during methane reforming for hydrogen production. During the WGS reaction CO is converted to H2 and CO2 according to: CO + H2O → CO2 + H2. This process is achieved using a metallic catalyst in a heterogeneous gas-phase reaction with CO and steam. The WGS reaction has so far been reserved for large-scale gasification plants and requires high capital and operational expenditures. Hence, smaller scale plants that process low-grade materials (biomass, waste, sludge...), would not have access to such technology. The only possible outcome with the synthesis gas (syngas) produced and which generally has a poor heating value, is to generate heat or at best, electricity. In order to offer small plants access to the WGS reaction and to a higher range of products from their syngas, an alternative to the expensive and energy-intensive established catalyst-based WGS is here considered, such as extreme-thermophilic microbial processes carried out by hydrogenogens. The goal of this thesis was to use Carboxydothermus hydrogenoformans, a thermophilic carboxydotrophic hydrogenogenic bacterium as a biological catalyst for the WGS reaction. This was done by characterizing the impact of a growth-associated biomineralization phenomenon on H2 production and assessing the feasibility and limitations of using the strain in a bioreactor. First, characterization of the predominant inorganic phase when Carboxydothermus hydrogenoformans was inoculated in the DSMZ medium revealed the biomineralization of two crystalline CaP phases. The X-ray diffractometry peaks and Fourier transform infrared spectroscopy spectrum of this biphasic material consistently showed features characteristic of Mg-whitlockite, whereas transmission electron microscopy analysis showed the existence of hydroxyapatite-like nanorods crystals. In both cases, the mode of biomineralization appears to be biologically induced rather than biologically controlled. The impact of the endogenous CaP precipitate on CO mass transfer and H2 production was thus assessed and compared to a medium where no precipitation was observed. In the DSMZ medium, the apparent KLa (0.22 ±0.005 min-1) and H2 production yield (89.11 ±6.69%) were higher than the ones obtained in the modified medium (0.19 ±0.015 min-1 and 82.60 ±3.62% respectively). The presence of the precipitate had no impact on C. hydrogenoformans CO uptake. Overall, the CaP precipitate offers a novel strategy for gas-liquid mass transfer enhancement using CO hydrophobic properties. Second, the conversion of CO into H2 by C. hydrogenoformans was investigated and optimized in a 35 L gas-lift reactor. Upon all operational conditions, the ratio of gas recirculation over CO feed flow rates (QR:Qin) was the major parameter that impacted both biological activity and volumetric gas-liquid mass transfer. The CO conversion performance of the gas lift reactor was kinetically limited over a QR:Qin ratio of 40, and mass transfer limited below that ratio, resulting in a maximum conversion efficiency of 90.4±0.3% and a biological activity of 2.7±0.4 molCO· g–1VSS· day–1. Despite very promising results, CO conversion performance was limited by a low cell density, typical of C. hydrogenoformans planktonic growth. This limitation was found to be the most restrictive factor for higher CO loading rates. Results were compared to the performance of the strain inoculated in a hollow fiber membrane bioreactor where performance, despite the higher cell density and volumetric activity, was biokinetically limited, when not limited by gas–liquid mass transfer, membrane fouling and aging. To avoid any C. hydrogenoformans decay during potential CO shortages, growth of the bacterium on pyruvate as a sole carbon source was characterized. Interestingly, when grown simultaneously on pyruvate and CO, pyruvate consumption was initiated upon CO depletion. This was attributed to the inhibition of pyruvate oxidation by CO, making pyruvate the ideal candidate for an in-situ back-up system.

Deux dioxydes d'étain de surface spécifique élevée après calcination sous flux de O2 à 600°C ont été synthétisés : SnO2-HNO3 (24 m2 g-1) et SnO2-N2H4 (101 m2 g-1). Le solide SnO2-N2H4 se caractérise par un plus grand nombre d'espèces hydroxyles de surface que SnO2-HNO3. Le traitement thermique sous O2 entraîne la formation de lacunes d'oxygène principalement mono-ionisées, menant à des dioxydes d'étain sous stœchiométriques. Un refroidissement jusqu'à 25°C sous O2 conduit à une surface exempte de lacunes d'oxygène. Un traitement spécifique comme l'évacuation sous vide dynamique à des températures supérieures à 300-400°C, est nécessaire pour arracher des atomes d'oxygène de surface. L'adsorption de CO à la température de l'azote liquide sur le solide SnO2-N2H4 a révélé l'existence de deux sites cationiques Sn4+, possédant des acidités de Lewis différentes. En ce qui concerne les groupements OH, on a pu distinguer : i) des OH inaccessibles aux molécules de CO, ii) des OH de surface très faiblement acides et iii) des OH de surface présentant une acidité de Brönsted faible. Une étude des interactions entre le solide SnO2-N2H4 calciné à 600°C et différents gaz polluants a ensuite été menée par spectroscopie IRTF en transmission. Le dioxyde de carbone interagit avec la surface de SnO2 pour donner des espèces CO2 adsorbées sur des sites cationiques ainsi que des espèces carbonates et hydrogénocarbonates. L'absence de participation d'électrons libres aux réactions de surface envisagées, explique que les capteurs à base de SnO2 ne présentent aucune sensibilité vis-à-vis de CO2. Le monoxyde de carbone provoque la réduction partielle de la surface de SnO2 par réaction de CO avec les atomes d'oxygène de surface pour former des espèces carbonates et CO2. Cette réduction s'accompagne d'une libération d'électrons et de la formation de lacunes d'oxygène de surface, entraînant des variations importantes de la transmission qui traduisent la grande sensibilité de SnO2 vis-à-vis de CO. En ce qui concerne NO2, nous avons pu constater la présence d'espèces NO+, nitrites et surtout nitrates adsorbées. Les réactions de surface dans lesquelles ces espèces interviennent ont permis d'interpréter les variations de conductivité de SnO2 en présence de NO2. L'adsorption de NO sur SnO2-N2H4 a montré la formation d'espèces à la fois donneurs (espèces nitrites et nitrates) et capteurs (espèces nitrosyles) d'électrons. La présence de ces espèces explique, en partie, les variations complexes de conductivité avec la température. Enfin, en ce qui concerne la réduction catalytique sélective (RCS) des NOX par le propène en présence d'un excès d'oxygène, le dioxyde d'étain s'est révélé actif à haute température (> 350°C) et sélectif en N2. Cependant, les sites actifs sont bloqués par des espèces polymères oxygénés du propène (coke). Dans le cas du solide SnO2-N2H4, la présence d'eau permet d'inhiber la formation du coke, entraînant une légère amélioration de l'activité catalytique, tandis que pour un SnO2 commercial, l'eau a un effet inhibiteur sur la RCS des NOX. Une plus grande acidité de surface pour le solide SnO2-N2H4 pourrait expliquer ce comportement.

Au cours des dernières décennies, l’intérêt pour la gazéification de biomasses a considérablement augmenté, notamment en raison de la grande efficacité de recouvrement énergétique de ce procédé par rapport aux autres procédés de génération de bioénergies. Les composants majoritaires du gaz de synthèse, le monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène (H2) peuvent entre autres servir de substrats à divers microorganismes qui peuvent produire une variété de molécules chimiques d’intérêts, ou encore produire des biocarburants, particulièrement le méthane. Il est donc important d'étudier les consortiums méthanogènes naturels qui, en syntrophie, serait en mesure de convertir le gaz de synthèse en carburants utiles. Cette étude évalue principalement le potentiel de méthanisation du CO par un consortium microbien issu d’un réacteur de type UASB, ainsi que les voies métaboliques impliquées dans cette conversion en conditions mésophiles. Des tests d’activité ont donc été réalisés avec la boue anaérobie du réacteur sous différentes pressions partielles de CO variant de 0.1 à 1,65 atm (0.09 à 1.31 mmol CO/L), en présence ou absence de certains inhibiteurs métaboliques spécifiques. Dès le départ, la boue non acclimatée au CO présente une activité carboxidotrophique relativement intéressante et permet une croissance sur le CO. Les tests effectués avec de l’acide 2- bromoethanesulfonique (BES) ou avec de la vancomycine démontrent que le CO est majoritairement consommé par les bactéries acétogènes avant d’être converti en méthane par les méthanogènes acétotrophes. De plus, un plus grand potentiel de méthanisation a pu être atteint sous une atmosphère constituée uniquement de CO en acclimatant auparavant la boue. Cette adaptation est caractérisée par un changement dans la population microbienne désormais dominée par les méthanogènes hydrogénotrophes. Ceci suggère un potentiel de production à large échelle de biométhane à partir du gaz de synthèse avec l’aide de biofilms anaérobies. / Syngas produced through the thermal gasification of biomass for energy recovery has received increased attention in the past decades due to its higher efficiency compared to other bioenergy processes. The gas components of syngas, CO and H2, can serve as substrates for the conversion of desirable chemicals and fuels, namely methane, by a wide range of microorganisms. Meanwhile, anaerobic wastewater-treating sludges have been reported as good sources of carboxidotrophic microorganisms which can be exploited for methane production. Thus it is important to investigate existing methanogenic consortiums which, in syntrophy, are able to convert syngas into useful fuels. This study is mainly focused on the assessment of the carboxidotrophic methanogenic potential present in a natural consortium of microorganisms from a UASB reactor and the identification of CO conversion routes to methane under mesophilic temperatures. To achieve this, a series of kinetic-activity tests with the anaerobic sludge were performed under CO partial pressures varying from 0.1 to 1.65 atm (0.09-1.31 mmol/L) in both the presence and absence of specific metabolic inhibitors. The non-adapted sludge presented an interesting carboxidotrophic activity potential for growing conditions on CO alone. Inhibition experiments with 2- bromoethanesulfonic acid (BES) and vancomycin showed that CO was converted mainly to acetate by acetogenic bacteria, which was further transformed to methane by acetoclastic methanogens. Moreover, it was possible to achieve higher methanogenic potential under 100% CO by acclimation of the sludge. This adaptation led to a shift in the microbial population predominated by hydrogenophilic methanogens. This suggests a possible enrichment potential with anaerobic biofilms for large scale methane production from CO-rich syngas, and further advances the knowledge base for anaerobic reactor development.

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours. / Gasification is today one of the most promising strategies to recover energy from waste. This thermo-chemical technology allows a 95% weight reduction of the input and generates inorganic inert ashes as well as a synthesis gas (syngas). Syngas is a gaseous fuel mainly composed of carbon monoxide (CO), hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO2). Syngas can be burned to produce heat and electricity. It is also the building block of many high added- value products ranging from ethanol to ammonia and pure hydrogen. Downstream applications of syngas production will depend on its heating value, which is determined by its content in H2. Upgrading the H2 content in syngas is performed by the water-gas shift (WGS) reaction, widely utilized during methane reforming for hydrogen production. During the WGS reaction CO is converted to H2 and CO2 according to: CO + H2O → CO2 + H2. This process is achieved using a metallic catalyst in a heterogeneous gas-phase reaction with CO and steam. The WGS reaction has so far been reserved for large-scale gasification plants and requires high capital and operational expenditures. Hence, smaller scale plants that process low-grade materials (biomass, waste, sludge...), would not have access to such technology. The only possible outcome with the synthesis gas (syngas) produced and which generally has a poor heating value, is to generate heat or at best, electricity. In order to offer small plants access to the WGS reaction and to a higher range of products from their syngas, an alternative to the expensive and energy-intensive established catalyst-based WGS is here considered, such as extreme-thermophilic microbial processes carried out by hydrogenogens. The goal of this thesis was to use Carboxydothermus hydrogenoformans, a thermophilic carboxydotrophic hydrogenogenic bacterium as a biological catalyst for the WGS reaction. This was done by characterizing the impact of a growth-associated biomineralization phenomenon on H2 production and assessing the feasibility and limitations of using the strain in a bioreactor. First, characterization of the predominant inorganic phase when Carboxydothermus hydrogenoformans was inoculated in the DSMZ medium revealed the biomineralization of two crystalline CaP phases. The X-ray diffractometry peaks and Fourier transform infrared spectroscopy spectrum of this biphasic material consistently showed features characteristic of Mg-whitlockite, whereas transmission electron microscopy analysis showed the existence of hydroxyapatite-like nanorods crystals. In both cases, the mode of biomineralization appears to be biologically induced rather than biologically controlled. The impact of the endogenous CaP precipitate on CO mass transfer and H2 production was thus assessed and compared to a medium where no precipitation was observed. In the DSMZ medium, the apparent KLa (0.22 ±0.005 min-1) and H2 production yield (89.11 ±6.69%) were higher than the ones obtained in the modified medium (0.19 ±0.015 min-1 and 82.60 ±3.62% respectively). The presence of the precipitate had no impact on C. hydrogenoformans CO uptake. Overall, the CaP precipitate offers a novel strategy for gas-liquid mass transfer enhancement using CO hydrophobic properties. Second, the conversion of CO into H2 by C. hydrogenoformans was investigated and optimized in a 35 L gas-lift reactor. Upon all operational conditions, the ratio of gas recirculation over CO feed flow rates (QR:Qin) was the major parameter that impacted both biological activity and volumetric gas-liquid mass transfer. The CO conversion performance of the gas lift reactor was kinetically limited over a QR:Qin ratio of 40, and mass transfer limited below that ratio, resulting in a maximum conversion efficiency of 90.4±0.3% and a biological activity of 2.7±0.4 molCO· g–1VSS· day–1. Despite very promising results, CO conversion performance was limited by a low cell density, typical of C. hydrogenoformans planktonic growth. This limitation was found to be the most restrictive factor for higher CO loading rates. Results were compared to the performance of the strain inoculated in a hollow fiber membrane bioreactor where performance, despite the higher cell density and volumetric activity, was biokinetically limited, when not limited by gas–liquid mass transfer, membrane fouling and aging. To avoid any C. hydrogenoformans decay during potential CO shortages, growth of the bacterium on pyruvate as a sole carbon source was characterized. Interestingly, when grown simultaneously on pyruvate and CO, pyruvate consumption was initiated upon CO depletion. This was attributed to the inhibition of pyruvate oxidation by CO, making pyruvate the ideal candidate for an in-situ back-up system.

La cytochrome c oxydase (CcO) est un complexe protéique commun à tous les organismes aérobies. Elle catalyse la réduction de l’oxygène en eau au niveau d’un site catalytique qui contient un atome de fer hémique et un atome de cuivre (CuB). La famille de ces oxydases est ainsi appelée super famille des oxydases à "hème-cuivre". Malgré le grand nombre d’études réalisées au sujet de l’activité catalytique des CcO, le déroulement exact des étapes de leur mécanisme reste encore mal connu. Afin de mieux cerner le problème de la relation structure-activité de cette hémoprotéine, deux approches distinctes et complémentaires ont été abordées : l’étude du système naturel et l’approche biomimétique. Les propriétés électroniques et vibrationnelles de certains intermédiaires du cycle catalytique de la cytochrome c oxydase ont été caractérisées par spectroscopies UV-Visible, de fluorescence résolue en temps et infrarouge. L’analyse du site actif de la CcO par des substitutions isotopiques du CuB, ainsi que l’influence du pH sur la structure de cet enzyme sont discutées. La deuxième partie de ce travail concerne l’étude du rôle de l’environnement proche de l’hème sur la réactivité des complexes FeII-CO et FeII-O2 grâce à une série de modèles superstructurés du centre binucléaire Fe/Cu de la CcO. Ces analogues synthétiques conservent l’hème, la ligation fer-histidine du site proximal et le ligand complexant le cuivre du site distal de la CcO, mais se différencient notamment par leur environnement autour de l’atome de cuivre et par leur rigidité. Deux techniques ont été utilisées: la spectroscopie ATR-IRTF et la photochimie dans le cas d’espèces carbonylées. / Cytochrome c Oxidase (CcO), a member of the heme-copper oxidase superfamily, is a membrane protein in many aerobic organisms, that catalyses the reduction of dioxygen to water. Dioxygen binding and reduction occurs at a heterobinuclear site that is comprised of a heme a3, and a copper atom (CuB) in close proximity. Despite, the CcO has been the subject of numerous biophysical and spectroscopic investigations, the detailed molecular mechanism of CcO remains still elusive. In order to better define the structure-function relationship for this hemoprotein, two distinct and complementary approaches have been employed: the study of the natural system and the biomimetic approach.Structural changes accompanying the change in the redox state of some CcO intermediates have been characterised by UV-Visible, ATR-FTIR and time-resolved fluorescence spectroscopies. The study of the cytochrome c oxydase active site modified with isotopic substitutions of CuB, and the effect of pH on the structure are discussed. The second part of this work is related to study the role of environment on the reactivity of FeII-CO et FeII-O2 complexes by exploiting a series of superstructured models of the binuclear Fe/Cu active site of CcO. Based upon a porphyrin core, all these models have the iron-histidine ligation of the proximal site and the copper ligand of the distal site of CcO but they differ strongly by the environment around the copper and their rigidity.

La Tomographie par Emission de Positrons (TEP) constitue l’une des techniques d’imagerie moléculaire les plus novatrices pour la visualisation in vivo des processus biologiques. Elle intervient comme technique de choix pour le diagnostic dans de nombreux domaines. La conception et l’élaboration de nouveaux radiotraceurs sont en perpétuel développement. Dans ce contexte une méthode d’introduction du radioisotope 11C a été développée pour le marquage de composés bioconjugées. Les conditions particulièrement douces de l’alcoxycarbonylation intramoléculaire mise au point ont permis un marquage en dernière étape de synthèse. La diversification des structures des précurseurs a également été envisagée grâce à un nouveau couplage biarylique catalysé à l’or sous conditions photorédox. Enfin la fonctionnalisation de motifs BODIPY a conduit à de premières avancées pour l’obtention de sondes bimodales innovantes. / Positron Emission Tomography (PET) is a powerful molecular-imaging technique for physiological andbiological investigations in various areas. Due to the increasing need of this technique for in vivoapplications, there is always a demand for the development of new tracers and radiolabelingstrategies. In this context an original method was developed to introduce the 11C-radioisotope for thelabeling of bioconjugated compounds. The extremely mild conditions of this intramolecular Pdcatalyzedalcoxycarbonylation allowed to label these structures in the last step of the synthesis.Diversification of the available precursors was investigated by a novel biaryl cross coupling using goldcatalisis under photoredox conditions. Finally, preliminary studies for the functionalization of BODIPYcores were realized to obtain innovative bimodal probes.