La formation de biofilms bactériens pathogènes est un problème important, particulièrement dans les secteurs médicaux et agro-alimentaires. La formation contrôlée de biofilms de la bactérie probiotique Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) est sélectionnée ici comme méthode potentielle pour prévenir la contamination de surfaces par des bactéries pathogènes. Nous avons étudié le développement de biofilms de LGG ainsi que leur possible contrôle en combinant des approches physico-chimiques et de fonctionnalisation de surface. L’impact des conditions environnementales sur la cinétique de croissance des biofilms et sur leur composition biochimique a été analysé par des mesures in situ et en temps réel par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier en réflexion totale atténuée (ATR-FTIR) sous conditions de flux. Ces données ont été complétées par des images de microscopie en épifluorescence permettant d’obtenir des informations sur la distribution et la forme des cellules bactériennes sur la surface à des étapes clé du développement du biofilm. Compatible avec les mesures ATR-FTIR, un cristal de séléniure de zinc a été choisi comme substrat, nu ou fonctionnalisé avec des monocouches auto-assemblées d’alcane-thiols (SAMs). Différents groupes fonctionnels ont été étudiés : méthyl (-CH3), hydroxyle (-OH) ou amine (-NH2) pour obtenir respectivement des substrats hydrophobe, hydrophile ou chargé positivement. La cinétique d’auto-assemblage des SAMs, leur organisation et l’énergie de surface ont été étudiées en combinant ATR-FTIR, spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford à hautes énergies et mesures d’angles de contact. L’analyse des spectres ATR-FTIR des biofilms de LGG enregistrés in situ et en temps réel pendant 24 heures a montré un rôle important du milieu nutritif sur la composition biochimique et le métabolisme bactériens. Les propriétés du substrat ont un impact faible sur la composition biochimique des biofilms, mais ont un rôle crucial sur leur force d’attachement à la surface. Ce travail pluridisciplinaire a fourni des informations sur l’influence de l’environnement, et particulièrement des caractéristiques du support, sur les propriétés des biofilms aux échelles moléculaire et cellulaire. La méthodologie développée dans ce travail peut notamment être utilisée dans la recherche des conditions les plus favorables à la croissance des biofilms de bactéries probiotiques. / Biofilm formation by pathogenic bacteria brings concerns, particularly in food and medical sectors, and is associated with high sanitary risks and economic losses. Biofilms of probiotic bacteria can potentially be used to prevent the surface contamination by pathogenic species. This work was focused on the investigation of the development of biofilms of probiotic Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) and the possible control of their formation by combining surface functionalisation and physico-chemical approaches. The effect of different environmental conditions on the kinetics of the biofilm growth and on its biochemical composition was analysed by in situ and real time measurements with infrared spectroscopy in attenuated total reflection mode (ATR-FTIR) under flow conditions. These data were complemented by epifluorescence images providing information on the surface distribution and the shape of the bacterial cells at specific stages of the biofilm development. Compatible with ATR-FTIR measurements, a zinc selenide (ZnSe) crystal was chosen as a substrate, bare or functionalised with self-assembled monolayers (SAMs). SAMs were formed from alkanethiols terminated by methyl (-CH3), hydroxyl (-OH) or amine (-NH2) groups to obtain hydrophobic, hydrophilic and positively charged substrates, respectively. The kinetics of self-assembly of the alkanethiols onto ZnSe, the organisation of the molecules, their areal density and the surface energy of thus obtained surfaces were studied preliminarily to the biofilm cultivation by means of ATR-FTIR spectroscopy, high energy Rutherford backscattering spectrometry, and contact angle measurements. The analysis of the ATR-FTIR spectra of LGG biofilms recorded in situ and in real time during 24 hours revealed an important role of the nutritive medium in the biosynthesis of nucleic acids, phospholipids, polysaccharides and lactic acid. Substrate properties had low impact on the biochemical composition of LGG biofilms, but had a critical role in the strength of attachment of cultivated biofilms. The findings of this multidisciplinary work provide a fundamental understanding of how the direct environment, including a support surface, influences the properties of bacterial biofilms at the molecular and cellular scales, based on which favourable conditions for the enhancement of probiotic biofilm growth and its mechanical stability can be chosen.

Le CO2 et la biomasse sont abondants dans la nature. La conversion de ces deux éléments constitutifs en carburants ou en produits chimiques à valeur ajoutée par des méthodes électrochimiques est essentielle pour atténuer la crise énergétique et réduire la pollution de l'environnement, ainsi que pour atteindre la carbone neutralité. Au cours des dernières décennies, de nombreux efforts ont été consacrés à ce domaine, mais la plupart d'entre eux se concentrent sur la conception de catalyseurs et l'amélioration des performances, et seules quelques recherches se concentrent sur de nouvelles réactions ou sur le mécanisme de ces réactions. Ici, nous développons une série de nouvelles réactions et étudions les mécanismes de ces réactions en utilisant la spectroscopie in situ, les principaux résultats sont les suivants : 1) Les réactions de réduction du furfural ont été menées en utilisant une feuille de Cu électrochimique comme catalyseur, et l'alcool furfural (FA, efficacité faradique, FE : 43,0%) et le 2-méthylfurane (MF, FE : 57,5%) ont été obtenus après électrolyse sous -0,43V (par rapport à l'électrode à hydrogène réversible, RHE). Les effets des différentes facettes du catalyseur sur la sélectivité ont été étudiés, et le Cu (110) produit préférentiellement de l'AF, tandis que les défauts sont les sites actifs pour la formation de MF. La spectroscopie Raman operando a montré que la production de FA et de MF partage le même intermédiaire à l'étape initiale, avec différents sites actifs conduisant aux différentes voies entre les étapes intermédiaires et suivantes et générant différents produits. 2) Des produits de liaison C-N (acétamide et formamide) ont été obtenus par la réaction de réduction du CO2 (CO2RR) avec la combinaison du substrat NH3 et des électrocatalyseurs commerciaux à base de nanoparticules de Cu ou de CuO. Avec l'optimisation, la FE maximale de ces deux produits est de ~10% au total, et la meilleure condition de réaction est 50mg Cu NPs, 1M KOH, avec 0.3M NH3, à -0.78V (vs. RHE) pendant 30 mins. L'IR in situ a montré que la formation de formamide et de formate partage le même intermédiaire, et que la production d'acétamide et d'acétate subit une voie de réaction similaire. 3) L'hydroxyméthanesulfonate (HMS), le sulfoacétate (SA) et le méthanesulfonate (produits de liaison C-S, FE représente 6% au total) ont été obtenus par le couplage CO2RR avec l'ajout de sulfite (SO32-), et des NPs de Cu2O synthétisées par la méthode de chimie humide ont été utilisées comme électrocatalyseurs. Parmi ces trois composés à liaison C-S, le HMS est le principal produit, la FE pouvant atteindre un maximum de 6 %. Le XRD in situ a montré que Cu0 est l'espèce active pour le processus de couplage C-S. Les calculs operando Raman et DFT ont montré que *CHOH est l'intermédiaire clé dans la formation de la liaison C-S, et que le couplage entre *CHOH et SO32- est l'étape qui détermine le taux. / CO2 and biomass are abundant in nature. Conversion of these two building blocks into fuels or value-added chemicals by electrochemical methods is essential for alleviating the energy crisis and reducing environmental pollution, and achieving carbon neutrality. In the past few decades, much effort has been devoted to this field, but most of this focuses on the design of catalysts and improvement of the performances, and only few research thrusts focus on new reactions or the mechanism of these reactions. Herein, we develop a series of new reactions and investigate the mechanisms of these reactions by using in-situ spectroscopy, the main results are shown as follows: 1) Furfural reduction reactions were conducted by using an electrochemical roughed Cu foil as the catalyst, and furfural alcohol (FA, Faradaic efficiency, FE: 43.0%) and 2-methylfuran (MF, FE: 57.5%) were obtained after electrolysis under -0.43V (vs. reversible hydrogen electrode, RHE). The effects of different facets on the selectivity were investigated, and Cu (110) is preferential to produce FA, while defects are the active sites for the formation of MF. Operando Raman spectrum showed that the production of FA and MF share the same intermediate at the initial stage, with different active sites leading to the pathway differential on the intermediate of the following steps and generating different products. 2) C-N bond products (acetamide and formamide) were obtained by CO2 reduction reaction (CO2RR) with the combination of NH3 reactants and commercial Cu or CuO nanoparticle (NPs) electrocatalysts. The maximum FE of these two products is ~ 10% in total. With optimization, we found a higher pH, thicker catalyst layer, and larger size of cations are beneficial to the production of acetamide. This can be attributed to the higher production of C2 intermediate and further leads to a higher FE of acetamide. In-situ IR showed that the formation of formamide and formate share the same intermediate, and the production of acetamide and acetate undergoes a similar reaction pathway. The mechanism can help to design the new next generation catalyst with a higher efficiency, which is beneficial to the future application of this reaction in chemical industry. Nitrate and nitrite are used instead of ammonia as nitrogen sources to produce C-N bond compounds, which suggests that this reaction provides a new possibility for organic synthesis. In all, this reaction expands the scope of the CO2RR application, and is also good for the development of organic synthesis. 3) Hydroxymethanesulfonate (HMS), sulfoacetate (SA) and methanesulfonate (C-S bond products, FE is 6% in total) were obtained by coupling CO2RR with the addition of sulfite (SO32-), and Cu2O NPs which synthesized by the wet chemistry method were used as electrocatalysts. Among these three C-S bond compounds, HMS is the main product, FE can reach 6% maximum. In-situ XRD showed that Cu0 is the active species for C-S coupling process. Operando Raman and DFT calculation further showed that *CHOH is the key intermediate in the C-S bond formation, and the coupling between *CHOH and SO32- is the rate-determining step. The discovery of reaction intermediates opens up the possibility of designing highly efficient catalysts, which can promote the application of this reaction in real industries. Also, this reaction provides a new possibility to synthesize C-S bond products, which have the potential to partially replace traditional organic synthetic routes with greener and more sustainable procedures.

La synthèse de particules polyuréthane par organo-catalyse dans le dioxyde de carbone supercritique a été étudiée. Des réactions modèles ont été préalablement conduites et suivies par spectroscopie infrarouge in situ dans le CO2 supercritique afin d'identifier les catalyseurs organiques de réaction d'uréthanisation les plus efficients. Une série de polymères siliconés CO2-phile, porteurs de la fonction organo-catalytique en bout de chaîne (organo-catasurfs), a ensuite été préparée et testée dans le CO2 supercritique pour la polymérisation en dispersion de polyuréthane. / The organocatalysed synthesis of polyurethane particles in supercritical carbon dioxide has been studied. Model reactions were first carried out in supercritical CO2 and monitored by in situ infrared spectroscopy in order to indentify the most efficient catalysts for the urethanisation reaction. A series of CO2-philic silicone polymers, end-functionalised with the organocatalytic group (organocatasurfs), were then synthesised and tested in supercritical CO2 for the dispersion polymerisation of polyurethane.

In dieser Arbeit werden kalt-abgeschiedene Mehrkomponentenschichtelektroden hin-sichtlich ihrer elektrokatalytischen Eigenschaften untersucht. Die Mehrkomponenten-schichten aus Gold, Nickel und ggf. Antimon werden auf einem Kohlenstoffträgermaterial abgeschieden. Dabei handelt es sich um Metallkomponenten, die sich unter ther-modynamischen Bedingungen nicht mischen. Unter UHV-Bedingungen wird ein hochdispergierter bzw. amorpher Zustand erzwungen. Die frisch hergestellte Mehrkomponentenschicht ist elektrochemisch inert. Zyklovoltammetrische Untersuchungen führen zu dem Schluß, daß sich die Oberflächenschicht im elektrochemischen Experiment verändert. Die Elektrooxidation der Alkohole Methanol, Ethanol und Ethylenglykol in KOH-Lösung tritt erst nach einer Aktivierungsphase auf. Die elektrokatalytischen Eigenschaften der reinen Metalle treten zutage. Mittels der in situ Infrarotspektroskopie werden Formiat, Acetat und Glykolat als Oxidationsprodukte der obengenannten Alkohole identifiziert. Oberflächen-Ramanmessungen werden unter der Fragestellung durchgeführt, ob die kalt-abgeschiedenen Schichten einen Oberflächenverstärkungseffekt (SERS-Effekt) zeigen: Es werden Ramanmessungen von Pyridin als Sondenmolekül in KOH-Lösung an Mehrkomponentenschichtelektroden und an massiven Mehrkomponentenelektroden durchgeführt. / The electrooxidation of methanol, ethanol and ethylene glycol at cold deposited trimetallic thin layers of gold, nickel and antimony on glassy carbon in contact with an alkaline electrolyte solution was studied with cyclic voltammetry and in situ infrared reflection absorption spectroscopy. A new procedure of spectra acquisition resulting in an improved suppression of spurious bands caused by volatile components in the sample chamber of the infrared spectrometer was employed. Formate, acetate and glycolate are detected as oxidation products. The thin layer electrodes are also investigated with Raman spectroscopy (surface enhanced Raman spectroscopy), whereby pyridine is used as probe molecule.

In dieser Arbeit werden kalt-abgeschiedene Mehrkomponentenschichtelektroden hin-sichtlich ihrer elektrokatalytischen Eigenschaften untersucht. Die Mehrkomponenten-schichten aus Gold, Nickel und ggf. Antimon werden auf einem Kohlenstoffträgermaterial abgeschieden. Dabei handelt es sich um Metallkomponenten, die sich unter ther-modynamischen Bedingungen nicht mischen. Unter UHV-Bedingungen wird ein hochdispergierter bzw. amorpher Zustand erzwungen. Die frisch hergestellte Mehrkomponentenschicht ist elektrochemisch inert. Zyklovoltammetrische Untersuchungen führen zu dem Schluß, daß sich die Oberflächenschicht im elektrochemischen Experiment verändert. Die Elektrooxidation der Alkohole Methanol, Ethanol und Ethylenglykol in KOH-Lösung tritt erst nach einer Aktivierungsphase auf. Die elektrokatalytischen Eigenschaften der reinen Metalle treten zutage. Mittels der in situ Infrarotspektroskopie werden Formiat, Acetat und Glykolat als Oxidationsprodukte der obengenannten Alkohole identifiziert. Oberflächen-Ramanmessungen werden unter der Fragestellung durchgeführt, ob die kalt-abgeschiedenen Schichten einen Oberflächenverstärkungseffekt (SERS-Effekt) zeigen: Es werden Ramanmessungen von Pyridin als Sondenmolekül in KOH-Lösung an Mehrkomponentenschichtelektroden und an massiven Mehrkomponentenelektroden durchgeführt. / The electrooxidation of methanol, ethanol and ethylene glycol at cold deposited trimetallic thin layers of gold, nickel and antimony on glassy carbon in contact with an alkaline electrolyte solution was studied with cyclic voltammetry and in situ infrared reflection absorption spectroscopy. A new procedure of spectra acquisition resulting in an improved suppression of spurious bands caused by volatile components in the sample chamber of the infrared spectrometer was employed. Formate, acetate and glycolate are detected as oxidation products. The thin layer electrodes are also investigated with Raman spectroscopy (surface enhanced Raman spectroscopy), whereby pyridine is used as probe molecule.

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