L’hydroperoxyde lyase (HPL) est une enzyme issue de la voie de la lipoxygénase, voie métabolique très représentée chez les végétaux, impliquée dans la production de composés aromatisants (l’hexanal, le 3Z-hexenal et le 2E-hexenal). Ces composés sont responsables de l’odeur fraîche de l’herbe coupée dite « note verte » et sont très utilisés par les industries cosmétiques et agroalimentaires. Leur biosynthèse résulte de l’oxydation des acides gras polyinsaturés en hydroperoxydes par la lipoxygénase, puis de leur clivage par l’hydroperoxyde lyase (HPL). Les procédés actuels de production de ces composés présentent certains inconvénients, ils sont notamment très polluants et peu performants, aussi l’utilisation d’enzymes recombinantes dans de tels procédés permettrait d’obtenir ces molécules de manière plus efficace tout en bénéficiant du label "naturel". L’ADNc codant pour l’hydroperoxyde lyase (HPLwt) a été isolé au laboratoire à partir d’olives noires. Afin d’améliorer la solubilité de l’enzyme, une HPL dépourvue de son peptide de transit chloroplastique (HPLdel) a également été produite. Les deux enzymes ont été exprimées chez E.coli, purifiées par chromatographie d’affinité puis caractérisées biochimiquement. Elles agissent exclusivement sur les 13-hydroperoxydes (13-HPL) à un pH et une température optimum de 7,5 et 25°C. De plus l’évaluation des paramètres cinétiques de l’enzyme montre qu’elles ont une meilleure efficacité catalytique (kcat/Km) sur les 13-hydroperoxydes d’acide linolénique (3,68 s-1.µM-1) que sur les 13-hydroperoxydes d’acide linoléique (0,54 s-1.µM-1). La bioconversion des 13-hydroperoxydes d’acide linoléique et linolénique en hexanal et 3Z-hexénal par l’action de l’HPLwt et l’HPLdel a été étudiée. Des taux de conversion maximum atteignant 93 % et 68 % pour la production d’hexanal et 73 % et 45% pour la production d’3Z-hexénal ont été obtenus quand l’HPLwt et l’HPLdel sont utilisées respectivement. La stabilité de l’enzyme a ensuite été étudiée. Des essais de conservation montrent que l’utilisation de glycérol à 10% (v/v) permet le maintien de la totalité de l’activité de l’HPLwt et de l’HPLdel durant cinq semaines de stockage à -80°C. De plus, l’ajout de composés chimiques tels que le KCl, le NaCl, le Na2SO4, la glycine et le glycérol permettent d’augmenter l’activité enzymatique des deux enzymes et d’améliorer les conditions de synthèse de l’hexanal et du 3Z-hexénal en diminuant la quantité d’enzyme nécessaire à leur production. / The hydroperoxide lyase (HPL) derives from a metabolic pathway named lipoxygenase pathway widely represented in plants and involved in the production of flavoring compounds (hexanal, 3Z-hexenal and 2E-hexenal). These volatile compounds are responsible for the fresh odor of cut grass known as "green note" and have a particularly interest for flavor and food industries. Their biosynthesis results from the oxygenation of linoleic and linolenic acids by lipoxygenase action to form fatty acid hydroperoxides, then of their cleavage by hydroperoxide lyase action. The processes of production currently used are highly polluting or lead to a low yield. To overcome these drawbacks, the use of recombinant enzymes in such processes constitutes an attractive alternative because they would allow producing these molecules in a more effective way, while benefiting from the "natural" label.A cDNA encoding for HPL (HPLwt) from black olive fruit was isolated, and in order to improve the enzyme solubility, the HPL deleted of its chloroplast transit peptide (HPLdel) was then produced. Both enzymes were expressed into E. coli (M15), purified by affinity chromatography, and characterized. They act exclusively on 13-hydroperoxide (13-HPL) and display an optimum pH at 7.5 and an optimum temperature at 25 °C. The bioconversion of 13-hydroperoxides of linoleic and linolenic acids in hexanal and 3Z-hexenal respectively, using HPLwt or HPLdel was studied. Conversion yields reach a maximum of 93 % and 68 % for hexanal production, and 73 % and 45 % for 3Z-hexenal when reactions were performed by HPLwt and HPLdel respectively.The enzyme stability was then studied. Conservations tests using 10 % glycerol (v/v) allows the maintenance of the entire activity of HPLwt and HPLdel during five weeks of storage at -80°C. Furthermore, the addition of chemical compounds such as KCl, NaCl, Na2SO4, glycine, and glycerol can increase the efficiency of both enzymes and improve the synthesis of hexanal and 3Z-hexenal by decreasing the amount of enzyme required to produce them.

Les aldéhydes sont des produits chimiques importants dans la synthèse organique, en raison de leurs vastes applications dans les cosmétiques, les produits pharmaceutiques et les herbicides. De plus, ils peuvent être convertis en composés à valeur ajoutée tels que des tensioactifs, des polymères, etc. Classiquement, les aldéhydes sont produits par hydroformylation ou ozonolyse réductrice des alcènes. Cependant, les deux méthodes souffrent de l'utilisation de catalyseurs coûteux et de ligands sophistiqués (hydroformylation) ou de la nécessité d'un procédé à forte intensité énergétique (ozonolyse). En conséquence, le développement d'approches plus durables pour la production d'aldéhydes est hautement souhaitable.Dans ce contexte, nous avons développé deux méthodes pour produire des aldéhydes à partir de dérivés d’acides gras insaturés. La première voie consiste à préparer des a-hydroxycétones grasses à partir de 1,2-diols et les couper pour obtenir des aldéhydes avec de bons rendements. Dans cette voie, deux systèmes catalytiques (homogènes et hétérogènes à base de métaux) ont été développés pour oxyder les diols vicinaux en a-hydroxycétones correspondantes. La coupure de ces espèces a été effectuée par un procédé de rétro-benzoin utilisant des sels de thiazolium thermiquement stables et les aldéhydes ont été récupérés par distillation réactive. La seconde voie repose sur la décomposition des ß-hydroxy hydroperoxydes gras facilement préparés à partir d'oléate de méthyle époxydé. De plus, la décomposition de l'espèce peroxyde a été étudiée dans des conditions thermiques pour donner des aldéhydes. Enfin, la coupure des 1,2-dicétones gras et la valorisation des aldéhydes ont également été étudiés pour conduire aux esters correspondants pouvant être utilisés comme monomères / Aldehydes are important chemicals in organic synthesis, due to their vast applications in cosmetics, pharmaceuticals and herbicides. Moreover, they can be converted to value-added compounds such as surfactants, polymers, etc. Conventionally, aldehydes are produced through hydroformylation or reductive ozonolysis of alkenes. However, both methods suffer from the use of expensive catalyst and sophisticated ligands (hydroformylation) or the requirement of high energy intensive process (ozonolysis). As a result, the development of more sustainable approaches for the production of aldehydes is highly desirable.In this context, we have developed two methods to produce aldehydes from unsaturated fatty acid derivatives. The first route involves the preparation of fatty a-hydroxyketones from 1,2-diols and their cleavage to give aldehydes with good yields. In this route, two catalytic systems (metal-based homogeneous and heterogeneous) have been developed to oxidize vicinal diols to corresponding a-hydroxyketones. The cleavage of these species has been carried out through a retro-benzoin process using thermally stable thiazolium salts and the aldehydes were recovered by reactive distillation. The second route relies on the decomposition of fatty ß-hydroxy hydroperoxides that are easily prepared from epoxidized methyl oleate. Moreover, the decomposition of the peroxide species was studied under thermal conditions to give aldehydes. Finally, the cleavage of fatty 1,2-diketones and the valorization of aldehydes were also studied to give the corresponding esters that could be used as monomers

La superoxyde réductase (SOR) est une métalloprotéine qui catalyse la réduction du superoxyde en H2O2. Pour son activité catalytique, la SOR nécessite des réductases cellulaires comme donneurs d'e-. Les SORs de Classe 1, telle que celle de Desulfoarculus baarsii, possèdent en plus du site actif, un centre de type rubrédoxine dont la fonction est inconnue. Nous avons montré que ce centre peut jouer un rôle de relais électronique entre les réductases et le site actif de la SOR. Cependant, ce transfert d'e- entre le centre rubrédoxine et le site actif se fait de façon intermoléculaire, entre deux molécules de SOR. Nous proposons que ce centre permet à la SOR de s'adapter à une large gamme de réductases cellulaires et optimise ainsi l'activité de détoxification du O2•- de la SOR. Le mécanisme catalytique de la SOR a été très étudié par cinétique rapide. Nous montrons que les études antérieures sur la SOR de D. baarsii ont été perturbées par un phénomène photochimique. Les études du mécanisme de la SOR ont été reprises et nous ont permis de proposer un nouveau mécanisme réactionnel de réduction du superoxyde par la SOR de D. baarsii. Nos études sur le mutant SOR K48I de D. baarsii ont permis de mettre en évidence le rôle essentiel de la lysine 48 dans la protonation de l'intermédiaire réactionnel Fe3+-OOH. En absence de cette lysine, cet intermédiaire ne conduit plus à la formation du produit de la réaction H2O2. Nos données suggèrent que l'intermédiaire Fe3+-OOH évolue alors vers une espèce de type fer-oxo, comme dans les oxygénases de type cytochrome P450. Ainsi, la lysine 48 apparaît comme un résidu essentiel, qui permet à la SOR d'orienter l'évolution de l'intermédiaire Fe3+-OOH.

Ce manuscrit de thèse est consacré à la modification de feutres de carbone pour la préparation de matériaux d’électrodes hautement performants pour le procédé électro-Fenton (EF), appliqué aux traitements des eaux chargées en polluants bioréfractaires. Dans un premier temps, des feutres de carbone commerciaux (CF) ont été mis en œuvre pour optimiser l'élimination de colorants (Acide Orange) et de produits pharmaceutiques (Paracétamol). Les chemins réactionnels conduisant à la minéralisation de ces polluants bioréfractaires ont été élucidés et la toxicité des sous-produits identifiés a été déterminée à différents temps d’électrolyse. Dans la suite du travail, une nouvelle cathode a été préparée par dépôt électrochimique d'oxyde de graphène réduit (rGO) sur la surface des feutres de carbone commerciaux. Divers moyens de réduction ont été étudiés et les propriétés structurales et texturales de l'électrode modifiée ont été déterminées par microscope électronique à balayage, diffraction des rayons X, Spectrométrie photoélectronique X, BET et mesure d'angle de contact. La cathode élaborée présente une bonne stabilité et une grande efficacité de traitement lorsqu'elle est appliquée pour décomposer l’Acide Orange 7 (AO7), la molécule de colorant azoïque modèle choisie. Dans une dernière partie du travail, nous avons proposé un système original de traitement électrochimique de type EF à base d’une pile à glucose. Dans ce système, l’énergie nécessaire est fournie par l’oxydation du glucose à l’anode, sur feutre de carbone décoré de nanoparticules d’or alors que la cathode est constituée du feutre modifié par un carbone microporeux dopé en azote présentant des propriétés d’électrocatalyse compatibles à la réduction de l’oxygène en peroxyde d’hydrogène dans la cellule de type pile à combustible. Le manuscrit présente la synthèse et la caractérisation de ces deux électrodes. L’originalité du travail réside en la quantité particulièrement faible d’or nécessaire à l’anode et au potentiel de réduction de l’oxygène particulièrement haut obtenus sur les carbones microporeux dopés à l’azote. Les propriétés catalytiques de l'anode et de la cathode ont induit une densité de courant de sortie stable (360,3 ± 51,5 mA.m-2 à 400 ± 50 mV) et maintenue à long terme. En conséquence, 90% de la concentration initiale du polluant (AO7) a été éliminée après une dégradation prolongée de 10 h. La puissance de la cellule est faible (170 mW.m-2) mais constante au moins pendant deux mois. Cette première preuve de concept d'un système abiotique de type pile à combustible - Fenton a démontré une efficacité élevée vis-à-vis de la dégradation des polluants bioréfractaires avec un énorme potentiel dans les domaines liés à l'énergie et la protection de l’environnement. / This thesis manuscript presented the modification and application of carbon felt material for wastewater treatment accommodating biorefractory pollutants by electro-Fenton (EF) process. First of all, the optimal condition of EF treatment for dye/pharmaceuticals removal using commercial carbon felt (CF) was investigated. From that, the degradation pathways in the relationship with the toxicity of their by-products were built and proposed. Concerning the modification for commercial CF, a new cathode was set up by electrochemical deposition of reduced Graphene Oxide (rGO) on the surface of CF via various reduction ways. The structure property of modified electrode was investigated by SEM, XRD, XPS, BET and contact angle measurement. The new cathode exhibited good stability and high treatment efficiency when it was applied to decompose Acid Orange 7 (AO7), a model azo dye molecule. The EF treatment was also developed further by contributing a new Fuel-cell Fenton system without any external power supply. In this approach, AO7 was continuously chosen to degrade by electro-Fenton process at a designed cathode (Carbon Felt (CF)/porous Carbon (pC)) supplied by direct clean electrical energy from abiotic glucose oxidation at a CF/gold anode (CF@Au). The catalytic properties of both anode and cathode induced a stable output current density of 360.3 ± 51.5 mA m−2 at 400 ± 50 mV, maintained for long-term period. As a consequence, 90 % of the initial concentration of the pollutant, identified by HPLC analysis, was eliminated upon extended EF degradation for 10 h, and the cell power output of 170 mW m-2 was stable at least for two months. Hence, this first proof of concept of an abiotic Fuel cell – Fenton system demonstrated a high efficiency towards pollutant degradation with a huge potential in both energy-related areas and environmental protection.

Les évents de sécurité protègent de l'explosion les réacteurs chimiques sièges d'un emballement thermique de réaction. Pour les systèmes non tempérés (c'est à dire produisant majoritairement des gaz incondensables), les méthodes de dimensionnement des évents issues des travaux du DIERS sont très surdimensionnantes. Une méthode basée sur le principe de similitude, développée dans le cadre de l'ONU pour la famille des peroxydes, fournit des aires d'évent plus réalistes mais elle est très contraignante. Le présent travail a permis la réalisation d'un nouvel outil de dimensionnement en similitude pour scénario d'incendie : la maquette à 0,1 litre. Il s'agit d'une extension du calorimètre adiabatique VSP2. Cette maquette permet, à l'échelle du laboratoire, la réalisation de blowdowns et la détermination directe du rapport A/V de l'évent nécessaire, mais également le suivi en temps réel de la masse réactionnelle évacuée. <br />Nous avons validé l'utilisation de cette maquette à 0,1 litre (1 x 10-3 m-1 < A/V < 3,5 x 10-3 m-1) en comparant avec des blowdowns analogues effectués à l'INERIS dans le réacteur ONU 10 litres. Ces blowdowns ont été réalisés avec une solution d'hydroperoxyde de cumène (30% en masse) dans 2,2,4-triméthyl-1,3-pentanediol diiso-butyrate. Ces essais ont montré que la maquette à 0,1 litre conduit à des évents légèrement plus grands (0 à 50 %) que le réacteur ONU 10 litres. Elle se situe donc du côté de la sécurité, tout en étant beaucoup moins surdimensionnante que la méthode DIERS, et utilisable à l'échelle du laboratoire. La principale limite est due à des fuites thermiques dont il faut vérifier pour chaque système étudié que l'influence est négligeable. <br />Du point de vue compréhension, nos expériences montrent que, même si la décomposition de notre système ressemble à celle d'un système non tempéré (2 pics de pression), elle génère des vapeurs (produits de la décomposition) qui ont une forte influence sur le 2ème pic : ces vapeurs provoquent un ralentissement de la réaction et l'atténuation des températures maximales atteintes. On constate même une corrélation Pmax = f(Tmax). Ce comportement pourrait concerner la plupart (toutes ?) des décompositions. <br />Les mesures de masse évacuée ont permis de distinguer trois types de comportements qui illustrent l'influence de la pression dans le réacteur sur le « level swell ». La confrontation avec un modèle dynamique purement « gassy » a montré que l'évacuation de masse réactionnelle peut se traduire par une évacuation purement diphasique ou par une alternance gaz/ diphasique, que pour les hautes pressions l'évacuation est purement gazeuse au turnaround et que l'évacuation diphasique lors de la dépressurisation du second pic doit être imputée en grande partie à la présence de vapeur (ébullition). <br />Enfin, nous avons identifié et quantifié la contribution des différentes hypothèses au caractère surdimensionnant de la méthode DIERS appliquée à notre système hybride non tempéré. Parmi les hypothèses surdimensionnantes identifiées, celle qui suppose que le « turnaround » est gouverné par une égalité de débit volumique est de loin celle qui est la cause principale de surdimensionnement.