Esta memoria doctoral forma parte del proyecto financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (CICYT, CTQ2010-21183-C02-01), el cual tiene entre sus objetivos la búsqueda de nuevas cepas con capacidad para producir emulsionantes naturales poliméricos. Existe un interés real en el aislamiento y caracterización estructural y funcional de nuevos exopolímeros (EPS) obtenidos a partir de microorganismos de ambientes extremos que pudieran ser utilizados con estos fines en diversas industrias. Para ello, se realizó en primer lugar el estudio de los EPS desde el punto de vista ultraestructural, de cepas antárticas adaptadas al frío, mediante técnicas de microscopía electrónica de transmisión (MET) después de procesar las muestras por criofijación a alta presión seguida de criosustitución (HPF-FS). Estas técnicas aportaron numerosos detalles sobre la ultraestructura de las distintas cepas y el material extracelular que producen, al lograr preservar el material biológico próximo a su estado natural. Se observó que este material polimérico extracelular es para la mayoría de las cepas complejo con la presencia de material capsular alrededor de las células y abundantes estructuras vesiculares dispersas en la matriz extracelular secretada por las bacterias. Es la primera vez que se describen y visualizan de manera tan clara y abundante las vesículas de membrana externa (VME) que producen bacterias no patógenas de ambientes naturales antárticos. De igual forma, es la primera vez que se reporta la presencia de estas estructuras en cepas de los géneros Marinobacter y Psychrobacter. Asimismo, se estudió el origen de las proteínas presentes en las VME mediante geles SDS-PAGE donde se mostraron los perfiles proteicos comparados con las proteínas de membrana externa. Esto evidenció el origen de estas VME formadas a partir de esta membrana, al presentar proteínas en la fracción de VME, que comigraron con proteínas que estaban presentes en la fracción de membrana externa, además en el perfil proteico de la membrana externa se detectaron proteínas adicionales que no estaban presentes en VME. Se estudió la influencia de la temperatura sobre la producción y morfología de VME producidas en la cepa S. livingstonensis NF22T Para esta bacteria psicrotolerante se demostró que la temperatura influye en la producción de VME. A bajas temperaturas la cantidad de VME que produce la cepa es mayor, su tamaño es menor y más regular y el perfil electroforético muestra la expresión diferencial de algunas proteínas, viéndose sobrexpresadas proteínas relacionadas con funciones de transporte a nivel de membrana. Se realizaron análisis proteómicos para identificar las proteínas presentes en las VME producidas a 4 y 16 ºC a partir de S. livingstonensis NF22T y S. vesiculosa M7T. Para ambas cepas se identificaron fundamentalmente proteínas de membrana externa y periplasmáticas con diferentes funciones fisiológicas, destacando por su abundancia las proteínas implicadas en el transporte y metabolismo de iones inorgánicos así como las relacionadas en la biogénesis de las envueltas celulares. El material extracelular (EPS) obtenido y purificado a partir de Shewanella vesiculosa M7T presentó mayor actividad emulsionante frente a aceites comestibles que los emulsionantes comercializados goma arábiga y xantano y su caracterización reveló que contiene abundantes VME y polímeros polisacarídicos, siendo sus componentes químicos mayoritarios azúcares neutros y aminados, lípidos de membrana y aminoácidos. / The present work is part of the research project (CICYT, CTQ2010-21183-C02-01), which has among its objectives the search for new strains capable to produce natural polymeric emulsifiers. There is a real interest in the isolation and structural and functional characterization of new exopolymers (EPS) derived from microorganisms of extreme environments that could be used for these purposes in various industries. Many Gram-negative, cold-adapted bacteria from the Antarctic environment produce large amounts of extracellular matter, which has potential biotechnology applications. We examined the ultrastructure of extracellular matter from Antarctic bacteria by transmission electronic microscopy after high pressure freezing and freeze substitution. All analyzed extracellular matter appeared as a netlike mesh composed of a capsular polymer around cells and large numbers of outer membrane vesicles (OMV), which have not been described for members of the genera Psychrobacter and Marinobacter so far. OMV showed the typical characteristics described for these structures, and seemed to be surrounded by the same capsular polymer as that found around cells. The analysis of OMV proteins from Antarctic strains by SDS-PAGE showed different banding profiles in OMV compared to the outer membrane, suggesting some kind of protein sorting during membrane vesicle formation. For the psychrotolerant bacterium, S. livingstonensis NF22T, the growth temperature seemed to influence the amount and morphology of OMV. In an initial attempt to elucidate the functions of OMV from S. livingstonensis NF22T and S. vesiculosa M7T we conducted a proteomic analysis on membrane vesicles obtained at 4 and 16°C. At both temperatures, OMV were highly enriched in outer membrane proteins and periplasmic proteins related to nutrient processing and transport in Gram-negative bacteria, suggesting that OMV could be related with nutrient sensing and bacterial survival. Differences were observed in the expression of some proteins depending on incubation temperature but further studies will be necessary to define their roles and implications in the survival of bacteria in the extreme Antarctic environment. The extracellular material (EPS) obtained and purified from Shewanella vesiculosa M7T had a higher emulsifying activity against edible oils than commercial emulsifiers like arabic and xanthan gums. Characterization of this EPS revealed that it contains abundant OMV and polysaccharides polymers, with neutral and amino sugars, membrane lipids and aminoacids as its major chemical components.

Les vasières intertidales sont le siège d’une forte production primaire sous la forme d’un biofilmmicrophytobenthique qui se développe en surface à marée basse. Ce biofilm se compose principalement de diatomées et de bactéries hétérotrophes. Ces deux composantes sécrètent des substances polymériques extracellulaires (EPS) qui jouent différents rôles dans le biofilm. Le travail présenté s’est basé sur différentes échelles d’observation (in situ à 2 saisons, mésocosme en laboratoire, et échelle fine du biofilm en microscopie confocale) et a permis de mettre en évidence les interactions des diatomées et des bactéries à différents moments de la marée et du nycthémère. L’utilisation d’une nouvelle méthode d’extraction des EPS a permis d’éclaircir leur rôle en évitant les contaminations par les substances internes provoquées par les méthodes classiques. Les EPS colloïdales particulièrement riches en glucose s’associent au déplacement des diatomées, notamment lors d’un stress (sursalure, carence en nutriments) et sont préférentiellement consommées par les bactéries, après leur dégradation par les enzymes ou leur hydrolyse dans l’eau interstitielle. Les EPS liées au frustule, et plus particulièrement les sucres, inhiberaient le développement bactérien à proximité de la cellule algale. Elles sont surtout sécrétées lors de la mise en place du biofilm et pour protéger la cellule quand les conditions sont osmotiquement défavorables et leur richesse en protéine leur confère un potentiel intéressant pour les bactéries qui peuvent les utiliser comme substrat azoté en cas de carence. D’autres substances ont été plutôt sécrétées parles bactéries telles que les N-acétylglucosamines et les protéines colloïdales de bas poids moléculaire,certainement des enzymes bactériennes, ainsi que le glucose qui semble être associé au EPS colloïdaux des diatomées mais aussi aux EPS bactériens selon l’analyse en microscopie confocale en utilisant des lectines comme marqueurs d’EPS. / Microphytobenthic biofilms that develop at the intertidal mudflat surface are responsible of a substantialprimary production. These biofilms are composed of diatoms and heterotrophic bacteria, both excretingextracellular polymeric substances (EPS) that have various functions into the biofilm. The present thesis is basedon different observation scales that have highlighted the complex interactions between diatoms and bacteria fordifferent moment of the biofilm development (in situ at 2 seasons, in laboratory mesocosm and at the scale of thebiofilm at confocal microscopy). Furthermore, a new extraction method that avoids contamination with internalsubstances was used and provides new insights about the role of EPS. Colloidal EPS are excreted during thediatom migrations, notably in case of environmental stress (nutrient depletion, high salinity). They arepreferentially consumed by bacteria, after hydrolysis or enzymatic cleavage. Bound EPS are associated to abacterial inhibition, especially sugars. These EPS are mainly excreted during biofilm formation and also in caseof osmotic stress, if diatoms cannot migrate toward favorable slices. Some substances are associated to bacterialdevelopment, such as N-acetylglucosamine, low molecular weight proteins that probably consist of bacterialenzymes and also glucose that seems to be associated to colloidal EPS secreted by diatoms as well as bacterialEPS, when analyzing the biofilm with confocal microscopy by using lectins as EPS biomarkers.

L’objectif de ce travail est d’une part (i) étudier le comportement de la biomasse notamment la production d’EPS en présence des composés pharmaceutiques (un agent anticancéreux et cinq antibiotiques); et d’autre part, (ii) étudier les EPS dans le contexte de décantation des boues en présence d’agents fongiques et en situations réelles dans des stations d’épuration. L’étude en présence de l’agent anticancéreux a été réalisée dans des bioréacteurs à membranes. La présence de l’agent anticancéreux a induit l’augmentation de la production d’EPS agissant comme un mécanisme de protection microbienne qui était à l’origine du colmatage des membranes. L’effet de cinq antibiotiques a été évalué en réacteur batch. La famille des macrolides a montré un effet plus important sur l’activité microbienne avec une augmentation significative de la production d’EPS associée à un mécanisme de protection. La décantation des boues en présence des cultures fongiques a été conduite en réacteur pilote. Une amélioration spectaculaire de la décantation a été liée à une meilleure cohésion au sein des flocs imputable en grand partie à l’augmentation de la production d’EPS. Enfin, le diagnostic du procédé de traitement des eaux a été établi sur trois stations d’épuration des papeteries grâce à une double approche d’une part l’analyse physico-chimique des boues et d’autre part, l’exploitation statistique d’analyse en composantes principales (ACP) des paramètres technologiques enregistrées dans chaque station. Nous avons tenté d’exprimer sous forme de régressions linéaires ou polynomiales de deuxième degré, la décantation en fonction d’une quantité réduite des paramètres mesurés / The objective of this work is firstly, i) to study the microbial behaviour of the biomass especially the production of the EPS in the presence of pharmaceutical compounds (an anticancer product and five antibiotics); and secondly, ii) to study EPS in the context of the sludge settling in wastewater treatment plants. The study in the presence of the anticancer product was done in membrane bioreactors. The presence of the anticancer product provoked the production of the EPS as the protection mechanism which is at the origin of the membrane fouling.The effect of five antibiotics was evaluated in batch reactors. The family of macrolides showed the most important effect on the microbial activity with a significant increase of the EPS production which was associated with a protection mechanism.Sludge settling in the presence of fungi was carried out in a pilot reactor. The spectacularly improvement of the sludge settleability was related with a better cohesion inside of the flocs attributed to an increase of the EPS production.Finally, the diagnosis of different wastewater treatment processes was established in three paper mill wastewater treatment plants thanks to the double approach used here, the physico-chemical analysis of the sludge and the statistical analysis by principal components analysis of the different parameters recorded in each plant. We tried to describe the parameter related to the settling behaviour by linear or polynomial regressions of second degree in function of a reduced number of the measured parameters

Le principal objectif de cette thèse était de mieux comprendre l’importance des Substances Polymériques Extracellulaires (SPE) dans la structuration et la formation des biofilms benthiques ; tout en s’inscrivant dans une étude plus globale des mécanismes écologiques impliqués dans le fonctionnement des vasières intertidales. La mise au point des dosages biochimiques a été effectuée sur le mucilage de l’algue Chaetomorpha aerea et a permis en parallèle de purifier un polysaccharide sulfaté riche en galactose, présentant une activité bactéricide sélective contre la souche Staphylococcus aureus (ATCC 25923). Les études biochimiques et écologiques menées sur les SPE extraits de la vasière charentaise ont ensuite permis de quantifier leur dynamique de production et leur composition, en fonction des conditions environnementales. La présence de désoxy-sucres et d’acides uroniques au sein des SPE capsulaires a laissé supposer que ces fractions jouaient un rôle important dans la formation et le devenir du biofilm microphytobenthique. La dernière partie des travaux a permis de caractériser les propriétés acide/base de Lewis et hydrophile/hydrophobe de la surface de la micro-algue Navicula jeffreyi, impliquée dans la formation de biofilms benthiques, par des méthodes classiques d’analyse. L’utilisation d’une nouvelle méthode, la Chromatographie Gazeuse Inverse (CGI), a permis d’obtenir des résultats intéressants et relativement similaires, confirmant le caractère prometteur de la CGI pour l’étude des propriétés de surface des micro-organismes. / The main goal of this thesis was to better understand the importance of Extracellular Polymeric Substances (EPS) in the structuring and formation of benthic biofilms; while considering a global conception of the ecological mechanisms involved in the functioning of intertidal mudflats. The development of the biochemical assays was done on the mucilage of the macroalgae Chaetomorpha aerea and allowed purifying a polysaccharide rich in galactose, showing a selective bactericidal activity against Staphylococcus aureus (ATCC 25923). Then, the biochemical and ecological studies concerning the EPS extracted from the local mudflat allowed studying their dynamic of production and composition in relation to environmental conditions. The presence of deoxy sugars and uronic acids in the bound EPS highlighted their important roles during the formation and the life of microphytobenthic biofilms. The last part of the work was used to characterize the acid/base of Lewis and hydrophilic/hydrophobic surface properties of the microalgae Navicula jeffreyi, involved in the formation of benthic biofilms, by using classical analysis methods. The use of a new method, named Inverse Gas Chromatography (IGC), allowed getting interesting and relatively similar results, confirming the potential of the method to study the surface properties of microorganisms.

Différents effets de nanotubes de carbone (NTC) sur des diatomées benthiques ont été évalués via des approches microscopiques et biochimiques. Il a été montré que la structure du frustule, paroi silicifiée propre aux diatomées, est déterminante sur l'entrée ou non des NTC dans les cellules. Une internalisation des NTC dans la cellule a conduit à des effets génotoxiques et tératogènes. L'interaction des NTC avec les substances polymériques extracellulaires (SPE) produites par les diatomées a aussi été évaluée. Les SPE ont favorisé l'agglomération des NTC entre eux, ainsi que leur isolement physico-chimique vis-à-vis des diatomées. Une réponse des diatomées à la présence des NTC par la surproduction de SPE explique partiellement le retard de croissance observé. De plus, Des interactions entre SPE et NTC, majoritairement hydrophobes, ont été révélées. Ces interactions ont permis de réduire considérablement les effets des NTC sur les diatomées au cours du temps. / Various effects of carbon nanotubes (CNTs) on benthic diatoms were assessed via microscopic and biochemical approaches. It has been shown that the structure of the specific to diatoms silicified frustule has a key role in the entry or not of CNTs into the cells. Moreover, Internalization of CNTs in the cell led to genotoxic and teratogenic effects. The interaction of the CNTs with the extracellular polymeric substances (EPS) produced by diatoms was also evaluated. EPS favored agglomeration of CNTs between them as well as their physico-chemical isolation for diatoms. A response of diatoms in the presence of CNTs by the overproduction of EPS partially explains the observed growth retardation. In addition, interactions between the EPS and CNTs, mainly hydrophobic, have been revealed. These interactions significantly reduced the effects of CNTs in diatoms over time.

El reactor anaerobio de membranas sumergidas (SAnMBR) está considerado como tecnología candidata para mejorar la sostenibilidad en el sector de la depuración de aguas residuales, ampliando la aplicabilidad de la biotecnología anaerobia al tratamiento de aguas residuales de baja carga (v.g. agua residual urbana) o a condiciones medioambientales extremas (v.g. bajas temperaturas de operación). Esta tecnología alternativa de tratamiento de aguas residuales es más sostenible que las tecnologías aerobias actuales ya que el agua residual se transforma en una fuente renovable de energía y nutrientes, proporcionando además un recurso de agua reutilizable. SAnMBR no sólo presenta las principales ventajas de los reactores de membranas (i.e. efluente de alta calidad, y pocas necesidades de espacio), sino que también presenta las principales ventajas de los procesos anaerobios. En este sentido, la tecnología SAnMBR presenta una baja producción de fangos debido a la baja tasa de crecimiento de los microorganismos implicados en la degradación de la materia orgánica, presenta una baja demanda energética debido a la ausencia de aireación, y permite la generación de metano, el cual representa una fuente de energía renovable que mejora el balance energético neto del sistema. Cabe destacar el potencial de recuperación de nutrientes del agua residual bien cuando el efluente es destinado a irrigación directamente, o bien cuando debe ser tratado previamente mediante tecnologías de recuperación de nutrientes. El objetivo principal de esta tesis doctoral es evaluar la viabilidad de la tecnología SAnMBR como núcleo en el tratamiento de aguas residuales urbanas a temperatura ambiente. Por lo tanto, esta tesis se centra en las siguientes tareas: (1) implementación, calibración y puesta en marcha del sistema de instrumentación, control y automatización requerido; (2) identificación de los parámetros de operación clave que afectan al proceso de filtración; (3) modelación y simulación del proceso de filtración; y (4) desarrollo de estrategias de control para la optimización del proceso de filtración minimizando los costes de operación. En este trabajo de investigación se propone un sistema de instrumentación, control y automatización para SAnMBR, el cual fue esencial para alcanzar un comportamiento adecuado y estable del sistema frente a posibles perturbaciones. El comportamiento de las membranas fue comparable a sistemas MBR aerobios a escala industrial. Tras más de dos años de operación ininterrumpida, no se detectaron problemas significativos asociados al ensuciamiento irreversible de las membranas, incluso operando a elevadas concentraciones de sólidos en el licor mezcla (valores de hasta 25 g·L-1 ). En este trabajo se presenta un modelo de filtración (basado en el modelo de resistencias en serie) que permitió simular de forma adecuada el proceso de filtración. Por otra parte, se propone un control supervisor basado en un sistema experto que consiguió reducir el consumo energético asociado a la limpieza física de las membranas, un bajo porcentaje de tiempo destinado a la limpieza física respecto al total de operación, y, en general, un menor coste operacional del proceso de filtración. Esta tesis doctoral está integrada en un proyecto nacional de investigación, subvencionado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN), con título ¿Modelación de la aplicación de la tecnología de membranas para la valorización energética de la materia orgánica del agua residual y la minimización de los fangos producidos¿ (MICINN, proyecto CTM2008-06809- C02-01/02). Para obtener resultados representativos que puedan ser extrapolados a plantas reales, esta tesis doctoral se ha llevado a cabo utilizando un sistema SAnMBR que incorpora módulos comerciales de membrana de fibra hueca. Además, esta planta es alimentada con el efluente del pre-tratamiento de la EDAR del Barranco del Carraixet (Valencia, España). / Robles Martínez, Á. (2013). Modelling, simulation and control of the filtration process in a submerged anaerobic membrane bioreactor treating urban wastewater [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34102 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales