Une des grandes problématiques en écologie est d’identifier les liens qui existent entre ce qui se passe au niveau de la physiologie et du comportement des individus et les propriétés émergentes qui apparaissent au niveau de la population et des écosystèmes dans leur globalité.Dans cette thèse, nous avons abordé cette problématique à travers la modélisation du phénomène de prédation, en nous intéressant plus particulièrement à la représentation mathématique de la réponse fonctionnelle. Cette fonction représente la quantité de proies consommées par prédateur et par unité de temps. Elle synthétiseau niveau de la population un ensemble de processus survenant à différentes échelles d’organisation. La modélisation du phénomène de prédation rencontre diverses limitations liées à la complexité de ce processus biologique, et il existe donc une forte incertitude sur la nature de la réponse fonctionnelle à utiliser.A travers l’étude d’un modèle prédateur-proie en chemostat d’une part, et l’utilisation de méthodes de changement d’échelle sur un modèle prédateur-proie en patchs d’autre part, nous avons cherché à déterminer les sources de variations dans la représentation de cette réponse.Tout d’abord, nous avons mis en évidence l’influence de la variabilité des données sur la paramétrisation de la réponse fonctionnelle ainsi que sur la robustesse des sorties du modèle. Une étude de sensibilité a également permis de montrer la forte sensibilité structurelle du modèle face à cette formulation, qui peut-être plus importante que face à des changements de paramètres.De plus, il apparait que la représentation mathématique de la réponse fonctionnelle dépend fortement de l’échelle d’observation considérée. En effet, la nature de la réponse peut être modifiée lorsque l’on passe de l’échelle d’une population à celle de la communauté. / One of the major issues in ecology is to identify the links between what happens in terms of physiology and behavior of individuals and the emergent properties that appear at the population and ecosystems level. In this thesis, we addressed this problem through modeling of the phenomenon of predation, especially by focusing on the mathematical functional response representation. This function represents the amount of prey consumed by predator per unit time. It synthesizes at the population level a set processes occurring at different scales of organization. Modeling of the phenomenon of predation encounters various limitations related to the complexity of this biological process, and there is, therefore, considerable uncertainty aboutthe nature of the functional response to use.Through the study of a predator-prey model in chemostat on the one hand, and use of scaling methods in a patches predator-prey model on the other hand, we seek to determine sources of variations in therepresentation of that response.First, we demonstrated the influence of data variability on the parameterization of the functional response as well as the robustness of the model outputs. A sensitivity study has also demonstrated the high structural sensitivity of the model to the formulation of this response, which may be more important than to parameterchanges.In addition, it appears that the mathematical representation of the functional response depends strongly on the scale of observation considered. The nature of the response can, indeed, be modified when changing the scale from the population to the community level.

La production de biopolymères de type polyhydroxyalkanoates (PHA) est une alternative attractive pour remplacer, en partie, les plastiques produits à partir de ressources fossiles. Les contraintes techniques imposées par les cultures pures (substrat purifié, stérilité…) impliquent un coût de production qui rend la production de ces bioplastiques difficilement compétitive par rapport à celle des plastiques conventionnels. L’utilisation de cultures non axéniques permettrait de palier les contraintes des cultures pures mais nécessite une étape de sélection des microorganismes producteurs naturels de PHA. A partir d’un inoculum issu de boues d’épuration et de substrats de types AGV (acide butyrique et acétique), une stratégie de limitation de la croissance par le phosphore pour accumuler du PHB a été mise en place. Nous avons étudié, avec les modes de culture fed-batch et continu, le potentiel de sélection de souches productrices et de production de PHA en fonction des paramètres opératoires (taux de dilution) et environnementaux (degré de limitation en phosphore). L’objectif scientifique a consisté à améliorer les connaissances sur le rôle d’une limitation en phosphore selon les conditions opératoires du procédé, tout d’abord sur la nature des souches sélectionnées, et ensuite sur la croissance et l’accumulation de PHB. Pour cela, une démarche associant l’identification des micro-organismes en dynamique par une technique de pyroséquençage, une caractérisation cinétique des micro-organismes sélectionnés, une analyse procédé et le développement d’une modélisation cinétique a été effectué. L’objectif final du travail visait l’optimisation des procédés de production de PHB en culture non axénique : productivité, rendement, titre final en PHB mais aussi fiabilité et robustesse, en vue de définir une stratégie de production optimale de PHA. Les performances atteintes lors des cultures en fed-batch se situent parmi les meilleures de la littérature (70% de PHA) en cultures mixtes sans étape d’enrichissement préalable en microorganismes producteurs. Les résultats ont montré le rôle de la limitation phosphore sur le déclenchement de la production de PHB. En chémostat, l’analyse des paramètres macro-cinétiques, à partir des sélections microbiennes, a révélé des cinétiques de conversion du substrat carboné en PHB, biomasse catalytique et CO2 dépendantes du degré de limitation en phosphore et du taux de croissance. Le taux de phosphore intracellulaire (dépendant du taux de croissance et du degré de limitation phosphore), est le paramètre gouvernant la conversion du carbone. De plus, ce rôle a été observé pour toutes les populations sélectionnées sous limitation phosphore, démontrant un comportement universel de ces populations face à une limitation phosphore. En parallèle, des études dynamiques en batch à partir de ces populations ont permis de caractériser les paramètres cinétiques des souches, montrant une vitesse maximale de production de PHB de 0,6 et 1,2 Cmol/Cmol.h avec acide acétique et butyrique respectivement. Ces hypothèses réalisées à partir des observations expérimentales ont permis l’établissement d’un nouveau modèle cinétique basé sur le rôle du phosphore intracellulaire sur la conversion du carbone. La confrontation de ce modèle aux résultats expérimentaux a conforté et amélioré la compréhension des processus de dilution intracellulaire du phosphore et de stockage de PHB. Ce modèle a également permis d’explorer une large gamme de conditions environnementales et de prédire les comportements microbiens d’organismes producteurs et non producteurs. A partir des résultats observés et du modèle cinétique établi, les performances de différentes configurations de procédés de production de PHA ont pu être discutées : chémostat simple ou double étage, fed-batch, chémostat et batch... Les performances en termes de productivités, taux de PHB intracellulaires, degré de sélection de producteurs et robustesse du procédé sont comparées. / The production of polyhydroxyalkanoates (PHA) is an attractive alternative for plastics produced from fossil resources. The technical constraints imposed by pure cultures (purified substrate, sterilization ...) involve a high production cost of PHA production, and the production of these bioplastics is hardly competitive. The use of non-axenic cultures would avoid the constraints of pure cultures but requires a selection step of PHA producers. From a microbial inoculum (activated sludge) and AGV (butyric and acetic acid), a strategy for limiting the growth by phosphorus to accumulate PHB was established. From fed-batch and continuous culture, we studied the selection of PHA producers and the production of PHA based on operating parameters (dilution rate) and environmental (degree of phosphorus limitation). The scientific objective was to improve knowledge on the role of phosphorus limitation according to the operating conditions of the process, first about the nature of selected strains, and then about the cellular growth and PHB accumulation. For this, an approach involving identification of microorganisms by pyrosequencing method, a kinetic characterization of selected microorganisms, a process analysis and development of a kinetic modeling were performed. The ultimate goal of the work was the optimization of PHB production processes in non-axenic culture: productivity, yield, final PHB concentration but also reliability and robustness, to define an optimal production strategy of PHA. The performance achieved during the fed-batch cultures are among the best in the literature (70% PHA) in mixed cultures without enrichment step of PHA producers. The results showed the role of phosphorus limitation on the PHB production. Thus, it has been demonstrated the importance of degree of phosphorus limitation to maintain cell growth allowing enrichment in PHA producers explaining the high content of PHA obtained. From microbial selections in chemostat culture, the analysis of macro-kinetic parameters revealed conversion kinetics of the carbon substrate in PHB, catalytic biomass and CO2, dependent on the degree of phosphorus limitation and growth rate. The limits on the degree of plasticity of the intracellular phosphorus (ranging from 3.8% to 0.045%) were identified as a function of the specific growth rate. This intracellular phosphorus content (depending on the growth rate and degree of phosphorus limitation), is the parameter governing carbon conversion. Furthermore, this role of the intracellular phosphorus was observed for all populations selected under phosphorus limitation in this study, demonstrating a universal behavior of these populations face to phosphorus limitation. In parallel, dynamic studies in batch reactor from these selected populations were used to characterize the kinetic parameters of the strains, showing a maximum PHB production rate of 0.6 and 1.2 Cmol/Cmol.h with acetic acid and butyric respectively. These hypotheses made from experimental observations allowed the establishment of a new kinetic model based on the role of intracellular phosphorus on carbon conversion. The comparison of this model with experimental results has strengthened and improved the understanding of the mechanisms of intracellular phosphorus dilution and storage PHB. This model was also used to explore a wide range of environmental conditions and predict microbial behavior of PHA producers and non-producing organisms according to the operating conditions in continuous or batch reactor. From the results observed and the established kinetic model, the performance of PHA production processes of different configurations was discussed: chemostat single or two-stage, fed-batch, chemostat plus batch... The productivities, intracellular PHB content, performances of selection and the reliability of the process are compared.

Dans une première partie, nous proposons un nouveau modèle de chemostat dans lequel la population bactérienne est représentée de manière individu-centrée, structurée en masse, et la dynamique du substrat est modélisée par une équation différentielle ordinaire. Nous obtenons un processus markovien que nous décrivons à l'aide de mesures aléatoires. Nous déterminons, sous une certaine renormalisation du processus, un résultat de convergence en loi de ce modèle individu-centré hybride vers la solution d'un système d'équations intégro-différentielles. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à des modèles de dynamiques adaptatives du chemostat. Nous reprenons le modèle individu-centré étudié dans la première partie, auquel nous ajoutons un mécanisme de mutation. Sous des hypothèses de mutations rares et de grande population, les résultats asymptotiques obtenus dans la première partie nous permettent de réduire l'étude d'une population mutante à un modèle de croissance-fragmentation-soutirage en milieu constant. Nous étudions la probabilité d'extinction de cette population mutante. Nous décrivons également le modèle déterministe associé au modèle individu-centré hybride avec mutation et nous comparons les deux approches, stochastique et déterministe; notamment nous démontrons qu'elles mènent au même critère de possibilité d'invasion d'une population mutante dans une population résidente.Nous présentons des simulations numériques illustrant les résultats mathématiques obtenus. / In the first part, we propose a new chemostat model in which the bacterial population is mass structured and individual-based and the substrate dynamics are modelized by an ordinary differential equation. We obtain a Markovian process which we describe as random measures. We determine, under a certain normalization of the process, a result of convergence in distribution towards the solution of a system of integro-differential equations. In the second part, we are interested in adaptive dynamic models of the chemostat. We add a mutation mechanism to the individual-based model which was studied in the first part. Under rare mutations and large population size hypotheses, the asymptotical result of the first part allows us to reduce the study of the mutant population to a growth-fragmentation-washout model in a constant environment. We study the extinction probability of this mutant population. We also describe the deterministic model related to the hybrid individual-based model with mutations and we compare these two approaches (stochastic and deterministic). In particular we prove that the two approaches lead to the same invasion criteria of a mutant population in a resident population.We present numeric simulations in order to illustrate the mathematical results.

Cette thèse adresse des problèmes liés à la modélisation des écosystèmes microbiens dans les sols.Les modèles de transport réactif sont très performants pour modéliser la biogéochimie d'un milieu poreux variablement saturé en tenant compte de plusieurs paramètres physiques et géochimiques mais ils n'intègrent pas (ou sinon de facon très sommaire) les activités microbiologiques dans les sols. Le modèle mathématique du chemostat est couramment utilisé en écologie microbienne. Dans le but d'une représentation spatiale plus simplifiée que les modèles de transport réactif mais suffisamment pertinente pour rendre compte de phénomènes biologiques, cette thèse est une première tentative pour comprendre la fonction entrées-sorties dans un chemostat structuré, et étudier comment une structure spatiale peut modifier cette fonction, et quels sont les paramètres clés. / The aim of this thesis is to study some problems related to the modeling of microbial ecosystems in soil. Considering different physical and biogeochemical parameters, the reactif transport models are very performing to represent the biochemistry of a variably saturated porous media. In contrast, these models don't integrate (or sparsely) the microbiological activities in the soils. The mathematical model of chemostat is frequently used in microbial ecology. For the purpose of a more simplified spatial representation than the reactif transport models, but sufficiently relevant to represent biological phenomena, this thesis is a first attempt to understand the "input-output" function in a structured chemostat, and to study how a special structure can alter this function, and what are the key parameters.

Cette thèse se compose de deux parties. Dans la première partie, nous étudions les stratégies de temps minimum pour le traitement de la pollution dans de grandes ressources en eau, par exemple des lacs ou réservoirs naturels, à l'aide d'un bioréacteur continu qui fonctionne à un état quasi stationnaire. On contrôle le débit d'entrée d'eau au bioréacteur, dont la sortie revient à la ressource avec le même débit. Nous disposons de l'hypothèse d'homogénéité de la concentration de polluant dans la ressource en proposant trois modèles spatialement structurés. Le premier modèle considère deux zones connectées l'une à l'autre par diffusion et seulement une d'entre elles connectée au bioréacteur. Avec l'aide du Principe du Maximum de Pontryagin, nous montrons que le contrôle optimal en boucle fermée dépend seulement des mesures de pollution dans la zone traitée, sans influence des paramètres de volume, diffusion, ou la concentration dans la zone non traitée. Nous montrons que l'effet d'une pompe de recirculation qui aide à homogénéiser les deux zones est avantageux si opérée à vitesse maximale. Nous prouvons que la famille de fonctions de temps minimal en fonction du paramètre de diffusion est décroissante. Le deuxième modèle consiste en deux zones connectées l'une à l'autre par diffusion et les deux connectées au bioréacteur. Ceci est un problème dont l'ensemble des vitesses est non convexe, pour lequel il n'est pas possible de prouver directement l'existence des solutions. Nous surmontons cette difficulté et résolvons entièrement le problème étudié en appliquant le principe de Pontryagin au problème de contrôle relaxé associé, obtenant un contrôle en boucle fermée qui traite la zone la plus polluée jusqu'au l'homogénéisation des deux concentrations. Nous obtenons des limites explicites sur la fonction valeur via des techniques de Hamilton-Jacobi-Bellman. Nous prouvons que la fonction de temps minimal est non monotone par rapport au paramètre de diffusion. Le troisième modèle consiste en deux zones connectées au bioréacteur en série et une pompe de recirculation entre elles. L'ensemble des contrôles dépend de l'état, et nous montrons que la contrainte est active à partir d'un temps jusqu'à la fin du processus. Nous montrons que le contrôle optimal consiste à l'atteinte d'un temps à partir duquel il est optimal de recirculer à vitesse maximale et ensuite ré-polluer la deuxième zone avec la concentration de la première. Ce résultat est non intuitif. Des simulations numériques illustrent les résultats théoriques, et les stratégies optimales obtenues sont testées sur des modèles hydrodynamiques, en montrant qu'elles sont de bonnes approximations de la solution du problème inhomogène. La deuxième partie consiste au développement et l'étude d'un modèle stochastique de réacteur biologique séquentiel. Le modèle est obtenu comme une limite des processus de naissance et de mort. Nous établissons l'existence et l'unicité des solutions de l'équation contrôlée qui ne satisfait pas les hypothèses habituelles. Nous prouvons que pour n'importe quelle loi de contrôle la probabilité d'extinction de la biomasse est positive. Nous étudions le problème de la maximisation de la probabilité d'atteindre un niveau de pollution cible, avec le réacteur à sa capacité maximale, avant l'extinction. Ce problème ne satisfait aucune des suppositions habituelles (la dynamique n'est pas lipschitzienne, diffusion dégénérée localement hölderienne, contraintes d'état, ensembles cible et absorbant s'intersectent), donc le problème doit être étudié dans deux étapes: en premier lieu, nous prouvons la continuité de la fonction de coût non contrôlée pour les conditions initiales avec le volume maximal et ensuite nous développons un principe de programmation dynamique pour une modification du problème original comme un problème de contrôle optimal avec coût final sans contrainte sur l'état. / This thesis consists of two parts. In the first part we study minimal time strategies for the treatment of pollution in large water volumes, such as lakes or natural reservoirs, using a single continuous bioreactor that operates in a quasi-steady state. The control consists of feeding the bioreactor from the resource, with clean output returning to the resource with the same flow rate. We drop the hypothesis of homogeneity of the pollutant concentration in the water resource by proposing three spatially structured models. The first model considers two zones connected to each other by diffusion and only one of them treated by the bioreactor. With the help of the Pontryagin Maximum Principle, we show that the optimal state feedback depends only on the measurements of pollution in the treated zone, with no influence of volume, diffusion parameter, or pollutant concentration in the untreated zone. We show that the effect of a recirculation pump that helps to mix the two zones is beneficial if operated at full speed. We prove that the family of minimal time functions depending on the diffusion parameter is decreasing. The second model consists of two zones connected to each other by diffusion and each of them connected to the bioreactor. This is a problem with a non convex velocity set for which it is not possible to directly prove the existence of its solutions. We overcome this difficulty and fully solve the studied problem applying Pontryagin's principle to the associated problem with relaxed controls, obtaining a feedback control that treats the most polluted zone up to the homogenization of the two concentrations. We also obtain explicit bounds on its value function via Hamilton-Jacobi-Bellman techniques. We prove that the minimal time function is nonmonotone as a function of the diffusion parameter. The third model consists of a system of two zones connected to the bioreactor in series, and a recirculation pump between them. The control set depends on the state variable; we show that this constraint is active from some time up to the final time. We show that the optimal control consists of waiting up to a time from which it is optimal the mixing at maximum speed, and then to repollute the second zone with the concentration of the first zone. This is a non intuitive result. Numerical simulations illustrate the theoretical results, and the obtained optimal strategies are tested in hydrodynamic models, showing to be good approximations of the solution of the inhomogeneous problem. The second part consists of the development and study of a stochastic model of sequencing batch reactor. We obtain the model as a limit of birth and death processes. We establish the existence and uniqueness of solutions of the controlled equation that does not satisfy the usual assumptions. We prove that with any control law the probability of extinction is positive, which is a non classical result. We study the problem of the maximization of the probability of attaining a target pollution level, with the reactor at maximum capacity, prior to extinction. This problem does not satisfy any of the usual assumptions (non Lipschitz dynamics, degenerate locally H"older diffusion parameter, restricted state space, intersecting reach and avoid sets), so the problem must be studied in two stages: first, we prove the continuity of the uncontrolled cost function for initial conditions with maximum volume, and then we develop a dynamic programming principle for a modification of the problem as an optimal control problem with final cost and without state constraint.

Factors influencing natural attenuation of dinitrotoluenes (DNT) in surface soils and the application of monitored natural attenuation (MNA) as a remediation strategy were examined using contaminated soils from Badger Army Ammunition Plant (BAAP). Based on the previous research involving contaminated media obtained from locations at BAAP, and the fact that groundwater at the site is not contaminated, it seemed likely that aerobic biodegradation of DNT is active without intervention, and that natural attenuation may be an effective strategy for managing the contamination that exists at BAAP. Microcosms showed that microbes indigenous to soils are capable of 2,4-DNT mineralization and that DNT will adsorb reversibly and become bioavailable. In column studies 2,4-DNT biodegradation was observed and the nitrite evolved during DNT degradation was presumably removed due to oxidation by nitrite oxidizers. The use of simulated rainwater as influent with no nutrient amendments suggests that nutrients do not limit the biodegradation of low concentrations of DNT in the soil tested. In the chemostat study carried out to study effect lowering of temperature (22㬠15㬠10㬠7.5㠡nd 4㩠on biodegradation of DNT at hydraulic retention time of 2.5 days, no sustained change in the DNT substrate removal was observed with change in temperature, but it had a large effect on the nitrite oxidizers. This suggests that the seasonal fluctuations in temperature will have minimal effect on the DNT removal via biodegradation at temperatures above 0㮠Nitrite oxidizers were active at 22㬠their activity decreased at 15㠡nd ceased at temperatures 10㠡nd lower. Nitrite is generally taken as a line of evidence for biodegradation of DNT. The results from the soil column study and chemostat showed that nitrite measurement should not be always taken as a conclusive indicator of DNT degradation. It should be taken into consideration that absence of nitrite does not necessarily mean absence of DNT biodegradation (probably at high temperatures).

L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement en temps long de certains processus de Markov déterministes par morceaux (PDMP) dont le flot suivi par la composante spatiale commute aléatoirement entre plusieurs flots possédant un unique équilibre attractif (éventuellement le même pour chaque flot). Nous donnerons dans un premier temps un exemple d’étude d’un tel processus construit dans le plan à partir de flots associés à des équations différentielles linéaires stables où il est déjà possible d’observer des comportements contre-intuitifs. La deuxième partie de ce manuscrit est dédiée à l’étude et la comparaison de deux modèles de compétition pour une ressource dans un environnement hétérogène. Le premier modèle est un modèle alétoire simulant l’hétérogénéité temporelle d’un environnement sur les espèces en compétition à l’aide d’un PDMP. Son étude utilise des outils maintenant classiques sur l’étude des PDMP. Le deuxième modèle est un modèle déterministe (présentant sous forme d’un système d’équations différentielles) modélisant l’impact de l’hétérogénéité spatiale d’un environnement sur ces mêmes espèces. Nous verrons que malgré leur nature très différente, le comportement en temps long de ces deux systèmes est relativement similaire et est essentiellement déterminé par le signe des taux d’invasion de chacune des espèces qui sont des quantités dépendant exclusivement des paramètres du système et modélisant la vitesse de croissance (ou de décroissance) de ces espèces lorsqu’elles sont au bord de l’extinction. / The objective of this thesis is to study the long time behaviour of some piecewise deterministic Markov processes (PDMP). The flow followed by the spatial component of these processes switches randomly between several flow converging towards an equilibrium point (not necessarily the same for each flow). We will first give an example of such a process built in the plan from two linear stable differential equations and we will see that its stability depends strongly on the switching times. The second part of this thesis is dedicated to the study and comparison of two competition models in a heterogeneous environment. The first model is a probabilistic model where we build a PDMP simulating the effect of the temporal heterogeneity of an environment over the species in competition. Its study uses classical tools in this field. The second model is a deterministic model simulating the effect of the spatial heterogeneity of an environment over the same species. Despite the fact that the nature of the two models is very different, we will see that their long time behavior is very similar. We define for both model several quantities called invasion rates modelizing the growth (or decreasing) rate speed of a species when it is near to extinction and we will see that the signs of these invasion rates fully describes the long time behavior for both systems.

En raison des capacités de mélange limitantes, des hétérogénéités au sein des bioréacteurs se produisent régulièrement lors de l’extrapolation à l’échelle industrielle. En conséquence, les microorganismes circulant au sein de ces bioréacteurs sont continuellement exposés à des gradients locaux au niveau des paramètres fondamentaux du procédé tel que le pH, la température, la concentration en substrat et en oxygène dissous. Ces fluctuations micro-environnementales peuvent affecter la croissance, le métabolisme et la morphologie des cellules, en fonction de la nature, de l’intensité, de la durée et/ou de la fréquence de la perturbation rencontrée. L’objectif de ce travail est l’étude quantitative de l’impact des fluctuations de pH et d’oxygène dissous sur le comportement dynamique de Yarrowia lipolytica, une levure avec un potentiel biotechnologique prometteur, aussi bien aux niveaux morphologique que métabolique. Pour répondre à cet objectif, des cultures en bioréacteur en conditions d’environnement contrôlé ont été mises en œuvre afin d’établir un lien de causalité directe entre la perturbation et la réponse observée. L’implémentation de deux modes de cultures différents (batch et chemostat) a permis de caractériser le comportement dynamique des populations cellulaires dans des états physiologiques différents: En mode continu, toutes les cellules sont dans le même état physiologique et se multiplient à la même vitesse de croissance, tandis que des sous-populations de levures dans des états physiologiques distincts peuvent cohabiter dans les cultures en mode batch. Un effort important a été consacré au développement et validation des méthodes pour une quantification rigoureuse des évolutions morphologiques de Y. lipolytica à l’échelle de la population. Le comportement macroscopique de la levure a été caractérisé par l’évaluation des dynamiques de croissance, la viabilité, les vitesses de consommation du glucose et d’oxygène, ainsi que les vitesses de production d’acide organique et de dioxyde de carbone. Trois techniques, à savoir la cytométrie en flux (CYT), la morpho-granulométrie (MG) et la diffraction dynamique de la lumière (DLS) ont été employé pour la quantification du phénomène d’élongation. Les résultats obtenus démontrent qu’il n’y a pas d’effet significatif des fluctuations de pH et d’oxygène dissous sur le comportement macroscopique (vitesses spécifiques, rendements, viabilité) de la levure. Néanmoins, une transition micellaire a été induite en réponse aux deux facteurs de stress (pH and pO2) seulement en conditions d’excès de glucose, suggérant ainsi un impact de la concentration résiduelle de glucose sur la régulation de dimorphisme chez Y. lipolytica. Le contrôle et la régulation de la concentration de glucose dans le milieu peut contribuer à une meilleure maitrise des changements morphologiques de Y. lipolytica en réponse à des stimuli de l’environnement. / Due to limited mixing capacities, heterogeneities regularly occur when scaling-up bioreactors for large-scale production. Microbial cultures are continuously exposed to local gradients in fundamental process parameters such as substrate, pH, temperature and dissolved oxygen DO concentration. These micro-environmental fluctuations may have detrimental effects on cellular growth, metabolism and morphology, depending on the nature, intensity, duration and/or frequency of the fluctuations encountered. The aim of this study was to investigate the impact of pH and DO fluctuations on the dynamic behavior of Yarrowia lipolytica, a microorganism with a promising biotechnological potential, at both morphological and metabolic levels. For this purpose, batch and continuous cultivations modes were preferentially adopted, as it enabled respectively, the study of the stress response of yeast populations growing at their maximum specific rate, and at various controlled specific growth rates in physiological steady-states. In addition, an important effort was devoted to the development and validation of morphological methods in order to acquire quantitative characterization of the response dynamics at the population scale. The macroscopic behavior of Y. lipolytica was assessed through examining the patterns of growth, viability, glucose uptake, oxygen consumption, organic acid and carbon dioxide production rates. Changes in the yeast morphology were characterized at the cell population level by means of flow cytometry, morphogranulometry and diffraction light scattering techniques. The results reflected no significant effect of pH and DO fluctuations on the macroscopic behavior (specific rates, yields, viability) of the yeast. Nevertheless, mycelial growth was induced upon exposure to both stressors, only in glucose-excess environments, suggesting therefore an impact of glucose levels on the regulation of dimorphic transition in Y. lipolytica. Controlling residual glucose concentrations in Y. lipolytica fermentations may contribute to a better monitoring of its morphological changes in response to environmental stimuli. Such data would help to optimize bioprocess performances at the industrial scale since it alleviates physico-chemical impacts due to filamentous cells.

Cellulose from energy crops or agriculture residues can be utilized as a sustainable energy resource to produce biofuels such as ethanol. The process of converting cellulose into solvents and biofuels requires the saccharification of cellulose into soluble, fermentable sugars. However, challenges to cellulosic biofuel production include increasing the activity of cellulose-degrading enzymes (cellulases) and increasing solvent (ethanol) yield while minimizing the co-production of organic acids. This work applies novel surface analysis techniques and fermentation reactor perturbations to quantify, manipulate, and model enzymatic and metabolic processes critical to the efficient production of cellulosic biofuels. Surface analysis techniques utilizing cellulose thin film as the model substrate are developed to quantify the kinetics of cellulose degradation by cellulase as well as the interactions with cellulase at the interfacial level. Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (QCM-D) is utilized to monitor the change in mass of model cellulose thin films cast. The time-dependent frequency response of the QCM simultaneously measures both enzyme adsorption and hydrolysis of the cellulose thin film by fungal cellulases, in which a significant reduction in the extent of hydrolysis can be observed with increasing cellobiose concentrations. A mechanistic enzyme reaction scheme is successfully applied to the QCM frequency response for the first time, describing adsorption/desorption and hydrolysis events of the enzyme, inhibitor, and enzyme/inhibitor complexes. The effect of fungal cellulase concentration on hydrolysis is tested using the QCM frequency response of cellulose thin films. Atomic Force Microscopy (AFM) is also applied for the first time to the whole cell cellulases of the bacterium C. thermocellum, where the effect of temperature on hydrolysis activity is quantified. Fermentation of soluble sugars to desirable products requires the optimization of product yield and selectivity of the cellulolytic bacterium, Clostridium thermocellum. Metabolic tools to map the phenotype toward desirable solvent production are developed through environmental perturbation. A significant change in product selectivity toward ethanol production is achieved with exogenous hydrogen and the addition of hydrogenase inhibitors (e.g. methyl viologen). These results demonstrate compensatory product formation in which the shift in metabolic activity can be achieved through environmental perturbation without permanent change in the organism’s genome.

O 1,3-propanodiol (PDO) é um composto químico com muitas aplicações industriais, como síntese de polímeros de tereftalatos, cosméticos e lubrificantes, dentre outros. Este composto pode ser produzido biotecnologicamente a partir do glicerol em condições de anaerobiose. Os principais produtores naturais de PDO são bactérias dos gêneros Klebsiella e Clostridium. No entanto, estes microrganismos podem apresentar riscos à saúde humana, sendo considerados oportunistas e, por isso, requerendo cuidados especiais que dificultam seu emprego em escala industrial. Uma alternativa está no uso de Lactobacillus sp., bactérias que realizam altas conversões de glicerol a PDO e não apresentam estes inconvenientes. Neste estudo, buscou-se melhorar a produtividade da transformação de glicerol em PDO por Lactobacillus reuteri, através de diferentes tipos de bioprocessos. Para isso, o microrganismo foi cultivado em meio MRS (com glicose) contendo glicerol como cosubstrato. Realizaram-se experimentos em batelada, batelada repetida e em processo contínuo (quimiostato) sob diferentes condições. Os melhores resultados foram obtidos nos processos em batelada repetida e em quimiostato. Nos ensaios em batelada repetida, a melhor condição foi nos cultivos em que houve decantação de células. Nesta condição, a produtividade (QPDO) superou em quase 3 vezes o ensaio em batelada comum (4,12 g.L-1.h-1). Em quimiostato, a produtividade alcançada sob a taxa de diluição de 0,5 h-1 foi 20% maior do que o melhor resultado em batelada repetida (4,88 g.L-1.h-1). Estes valores de produtividade são os maiores reportados na literatura até o momento. Além disso, os resultados indicam que o processo em quimiostato não é limitado pelo substrato, mas sim pela concentração de lactato produzido. / 1,3-propanediol (PDO) is a high-value chemical compound which has many industrial applications, such as synthesis of polymers of terephthalates, cosmetics and lubricants, among others. This compound can be produced biotechnologically from glycerol in anaerobiosis. The main natural producers of PDO are bacteria from genera Klebsiella and Clostridium. However, these microorganisms could be dangerous to human health, considered opportunistic and therefore require special care when manipulated on an industrial scale. An alternative is the use of Lactobacillus sp., bacteria which achieve high conversions of glycerol to PDO and do not present these problems. In this study, we aimed to improve the yield of PDO by Lactobacillus reuteri through different types of bioprocesses. For this, the microorganism was grown in MRS medium (with glucose) containing glycerol as co-substrate. Experiments were performed in batch run, repeated batch and continuous mode (chemostat) under different conditions. The best results were found in repeated batch run and chemostat mode. In repeated batch runs, the best condition was found in cultures with settling of cells. In this condition, the productivity (QPDO) reached almost 3 times the value of the simple batch run (4.12 g.L-1.h-1). In chemostat mode, the productivity reached, in the dilution rate of 0.5 h-1, was 20% higher than the best result obtained in repeated batch mode (4.88 g.L-1.h-1). These productivity values are the highest reported in the literature until this date. Furthermore, the results indicate that the chemostat process is not limited by the substrate, but by the concentration of produced lactate.