京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21110号 / 工博第4474号 / 新制||工||1695(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 木本 恒暢, 教授 藤田 静雄, 教授 白石 誠司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Les bactéries du genre Deinococcus sont des microorganismes qui présentent des propriétés remarquables de résistance aux conditions extrêmes telles que les radiations ionisantes, les stress oxydatifs, la dessiccation ou encore les températures extrêmes. L’exploitation de leurs capacités présente donc un réel intérêt pour les procédés biotechnologiques de production de métabolites d’intérêt, les biocarburants. Néanmoins, la physiologie et le métabolisme de ces microorganismes ont été très peu étudiés à ce jour. L’objectif de ce travail est d’identifier les exigences nutritionnelles d’une souche de déinocoques, Deinococcus geothermalis, dans le but de définir la composition d’un milieu synthétique permettant une croissance sans limitation. L’étude statistique de quarante huit formulations de milieux de culture a mis en évidence la variabilité qualitative et quantitative des compositions des milieux utilisés pour leur culture. Il ressort que l’ajout de facteurs stimulant la croissance, sous forme d’extrait de levure, est indispensable à la croissance non limitée de la souche Deinococcus geothermalis DSM 11300. En bioréacteur à 45 °C, sur un milieu complexe et substrat glucose, une concentration finale de 2,7 gMS.L-1 a été obtenue en six heures avec un taux de croissance égal à 0,65 h 1. Les résultats ont montré une variabilité intra-espèce importante ; parmi les trois souches de Deinococcus geothermalis étudiées, DSM 11300, DSM 11301 et DSM 11302, la souche Deinococcus geothermalis DSM 11302 présente la meilleure croissance en termes de nombre de générations, en milieu défini ou complexe. L’étude de l’influence des étapes de préparation de l’inoculum a permis de standardiser les conditions de préparation de l’inoculum préalablement aux cultures en bioréacteur. La souche Deinococcus geothermalis DSM 11302 présente une croissance exponentielle durant quatre heures en bioréacteur sur un milieu défini avec 10 g.L-1 de glucose ; le taux de croissance de 0,25 h-1 ne se maintient pas sur une durée plus longue. Le rendement de production de biomasse à partir du glucose atteint 0,25 gX.gGlc-1 soit 0,30 CmolX.CmolGlc-1. L’ajout de sources carbonées, sources soufrées, vitamines ou autres facteurs de croissance ne permet pas d’améliorer la croissance de la souche dans ces conditions. Sur ces bases, la quantification de la physiologie de Deinococcus geothermalis DSM 11302 a été étudiée lors d’une culture en mode discontinu alimenté avec une stratégie d’apport de deux substrats, l’extrait de levure et le glucose. Le mode de conduite a permis de révéler que le glucose n’est pas la source de carbone assimilée préférentiellement et que l’extrait de levure peut être consommé comme source azotée organique et/ou comme source carbonée. Les déinocoques sont caractérisés par un métabolisme principalement protéolytique : il a été possible de confirmer que l’extrait de levure est indispensable à la croissance non limitée de Deinococcus geothermalis DSM 11302. Avec cette stratégie d’alimentation co-substrats, 253 g d’extrait de levure et 26 g de glucose ont été ajoutés pour produire 99 gMS de biomasse soit 9,6 gMS.L-1 en six heures. Les vitesses spécifiques maximales de consommation des substrats, extrait de levure et glucose, atteignent respectivement 0,68 et 0,39 Cmol.CmolX-1.h-1. Le taux de croissance exponentiel maximal obtenu est égal à 1.05 h-1, meilleur résultat décrit à ce jour pour un déinocoque. Ces résultats contribuent ainsi à implémenter l’état des connaissances sur la physiologie et les exigences nutritionnelles de Deinococcus geothermalis et donnent accès aux valeurs de paramètres cinétiques et de rendements, données absentes de la littérature / Bacteria belonging to Deinococcaceae family are microorganisms with exceptional resistance properties to extreme environmental conditions such as ionizing radiations, oxidative stress, dehydration or extreme temperatures. These properties make them interesting targets for biotechnological processes for metabolite production like biofuels. Nevertheless, physiological behaviour and metabolism of these microorganisms have been little studied to date. The main objective of this work was to study the nutritional requirements for the growth of a Deinococcaceae strain, Deinococcus geothermalis, in order to define a synthetic medium sufficient for a non-limiting growth of this strain. The statistical study of 48 culture media formulations highlighted a lot of variability between the compositions used for their growth. A limiting growth of the strain Deinococcus geothermalis DSM 11300 was obtained on the defined medium DM chosen for this work, in Erlenmeyer flasks and in bioreactor, unless yeast extract was added to the medium. Cultivated in a bioreactor at 45 °C, on a complex medium with glucose (CMG), the biomass concentration reached 2.7 gMS.L-1 in six hours with a growth rate of 0.65 h-1. The results showed intra-specie variability; the strain Deinococcus geothermalis DSM 11302 exhibits the best number of generation in both complex and defined media. The study of the influence of inoculum preparation steps allowed standardizing the conditions of inoculum preparation before cultures in bioreactor. The strain Deinococcus geothermalis DSM 11302 has a four hours exponential growth when cultured in bioreactor on the defined medium DM at 45 °C, but the maximal growth rate of 0.28 h-1 decreases rapidly. The yield of biomass production on glucose reached 0.25 gX.gGlc-1 (0.30 CmolX.CmolGlc-1). Oxygen uptake and glucose specific uptake rates were 3.3 mmol.L-1.h-1 and 0.57 CmolGlc.CmolX.h-1 respectively. None of the carbon sources, sulfur sources or growth factors added to the defined medium DM could improve growth results of the strain Deinococcus geothermalis DSM 11302. For the quantification of Deinococcus geothermalis DSM 11302 physiology, a fed batch culture strategy with a yeast extract and glucose co-substrate feed was chosen. This strategy revealed that glucose is not the preferential carbon source for biomass production. In addition, yeast extract can be consumed as organic nitrogen source and/or as carbon source. Deinococcaceae are mainly proteolytic microorganisms, yeast extract is an essential element to obtain a non-limiting growth of Deinococcus geothermalis DSM 11302. With this co substrate feed strategy, 253 g of yeast extract and 26 g of glucose were added to produce 99 gMS of biomass or 9.6 gMS.L-1 in six hours. The maximal yeast extract and glucose specific uptake rate reached respectively 0.68 and 0.39 Cmol.CmolX 1.h 1. The maximal exponential growth rate is 1.05 h-1, which is the best result describes to date for a Deinococcaceae strain. These results implement the knowledge on physiology and nutritional requirements of Deinococcus geothermalis and give access to quantitative values for characteristic kinetic parameters and conversion yields

Existe-t-il un consensus scientifique sur les conditions de la durabilité ? Est-il possible de construire un indicateur unique de soutenabilité faible ? Quelles sont les composantes objectives et subjectives des indicateurs ? Peut-on envisager des indicateurs objectifs de soutenabilité ? Quelles voies de recherche sont-elles nécessaires pour développer des indicateurs de développement durable ? Telles sont les questions auxquelles cet ouvrage tente de répondre. La comparaison des courants de la soutenabilité faible et de la soutenabilité forte nous sert de fil conducteur pour évaluer la part normative et la part objective du choix des paramètres et de leur méthode d'agrégation. L'agrégation arithmétique implique des hypothèses de substituabilité entre les facteurs, ce qui relève de la soutenabilité faible. La pondération, toujours normative, peut être explicite ou se traduire par le choix d'une unité ou dimension unique. Nous redéfinissons la soutenabilité faible comme étant la réduction de la complexité à une dimension unique. Il y a dès lors autant d'indicateurs de soutenabilité faible que de choix possibles de cette dimension unique. En particulier, l'empreinte écologique par habitant relève d'une forme "écologique" de soutenabilité faible. Le prix de marché est l'unité fondamentale de mesure de sa forme "économique". Nous montrons que les acteurs ne savent pas bien identifier leur intérêt et qu'ils ne sont pas parfaitement égoïstes, ce qui introduit un biais non systématique remarquable dans toute mesure en unité monétaire. La soutenabilité forte se caractérise par la multiplicité de dimensions ou "capitaux critiques" dont le dépassement d'un seul suffit à déterminer la non soutenabilité. Les différentes formes de soutenabilités faibles peuvent représenter des capitaux critiques parmi d'autres. Nous présentons une typologie des acteurs et du partage des responsabilités, également susceptible d'introduire des grandes divergences dans les résultats publiés. Quelques études de cas illustrent ces différents éléments dans des contextes contrastés. L'empreinte écologique de consommation se limite en particulier à une responsabilisation du seul consommateur, alors que les comptes nationaux permettent d'envisager la coresponsabilité de l'ensemble des acteurs. L'indicateur de "dématérialisation de l'économie" appliqué à un village indien montre la pertinence de mesurer l'utilisation absolue de matière sans pondération monétaire. Il est par ailleurs possible de minimiser le coût de dépollution sans toucher à la limite absolue d'émissions globales de centrales thermiques. Les deux dimensions, coûts sociaux et bénéfices environnementaux, peuvent donc être traitées séparément. En conclusion, il est possible d'identifier, dans chaque calcul d'indicateur de développement durable, une composante relativement objective de soutenabilité "forte" et une composante "faible", négociable, de partage des droits et responsabilités. / We study how different world views may influence how to develop sustainable development indicators. The comparison of weak sustainability and strong sustainability serves as a guide to estimate the share of objective versus normative choice of parameters and their method of aggregation. We then present a typology of actors and shared responsibilities, which may also introduce large discrepancies in the results published. Some case studies illustrate these different elements in contrasting contexts. It appears that it is possible to identify in each calculation of sustainable development indicator, a relatively objective component of sustainability and a negotiable component of shared rights and responsibilities.

Existe-t-il un consensus scientifique sur les conditions de la durabilité ?Est-il possible de construire un indicateur unique de soutenabilité faible ?Quelles sont les composantes objectives et subjectives des indicateurs ?Peut-on envisager des indicateurs objectifs de soutenabilité ?Quelles voies de recherche sont-elles nécessaires pour développer des indicateurs de développement durable ?Telles sont les questions auxquelles cet ouvrage tente de répondre.<p><p>La comparaison des courants de la soutenabilité faible et de la soutenabilité forte nous sert de fil conducteur pour évaluer la part normative et la part objective du choix des paramètres et de leur méthode d'agrégation. L'agrégation arithmétique implique des hypothèses de substituabilité entre les facteurs, ce qui relève de la soutenabilité faible. La pondération, toujours normative, peut être explicite ou se traduire par le choix d'une unité ou dimension unique. Nous redéfinissons la soutenabilité faible comme étant la réduction de la complexité à une dimension unique. Il y a dès lors autant d'indicateurs de soutenabilité faible que de choix possibles de cette dimension unique. En particulier, l'empreinte écologique par habitant relève d'une forme "écologique" de soutenabilité faible. Le prix de marché est l'unité fondamentale de mesure de sa forme "économique". Nous montrons que les acteurs ne savent pas bien identifier leur intérêt et qu'ils ne sont pas parfaitement égoïstes, ce qui introduit un biais non systématique remarquable dans toute mesure en unité monétaire. La soutenabilité forte se caractérise par la multiplicité de dimensions ou "capitaux critiques" dont le dépassement d'un seul suffit à déterminer la non soutenabilité. Les différentes formes de soutenabilités faibles peuvent représenter des capitaux critiques parmi d'autres.<p><p>Nous présentons une typologie des acteurs et du partage des responsabilités, également susceptible d'introduire des grandes divergences dans les résultats publiés. Quelques études de cas illustrent ces différents éléments dans des contextes contrastés. L'empreinte écologique de consommation se limite en particulier à une responsabilisation du seul consommateur, alors que les comptes nationaux permettent d'envisager la coresponsabilité de l'ensemble des acteurs. L'indicateur de "dématérialisation de l'économie" appliqué à un village indien montre la pertinence de mesurer l'utilisation absolue de matière sans pondération monétaire. Il est par ailleurs possible de minimiser le coût de dépollution sans toucher à la limite absolue d'émissions globales de centrales thermiques. Les deux dimensions, coûts sociaux et bénéfices environnementaux, peuvent donc être traitées séparément.<p><p>En conclusion, il est possible d'identifier, dans chaque calcul d'indicateur de développement durable, une composante relativement objective de soutenabilité "forte" et une composante "faible", négociable, de partage des droits et responsabilités.<p>/ We study how different world views may influence how to develop sustainable development indicators. The comparison of weak sustainability and strong sustainability serves as a guide to estimate the share of objective versus normative choice of parameters and their method of aggregation. We then present a typology of actors and shared responsibilities, which may also introduce large discrepancies in the results published. Some case studies illustrate these different elements in contrasting contexts. It appears that it is possible to identify in each calculation of sustainable development indicator, a relatively objective component of sustainability and a negotiable component of shared rights and responsibilities.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La demande mondiale de nourriture et d’energie est en constante augmentation. L’accès à de nouvelles terres arables étant limité, les agriculteurs devront produire environ 70% de plus par hectare d'ici 2050. L'optimisation et la rationalisation des systèmes de production agricole sont essentielles pour assurer la sécurité alimentaire des populations dans des conditions durables. La communauté agricole serait en mesure d'optimiser les performances des cultures en ayant accès à une meilleure compréhension des systèmes de production, notamment concernant leur potentiel et principaux facteurs limitants. Dans ce contexte, la caractérisation des conditions de croissance des cultures prenant en compte leurs impacts sur le potentiel de production et sur les pertes de rendement est importante pour identifier les marges de progrès et proposer des systèmes agricoles améliorés.Dans cette étude une approche est proposée pour caractériser l'environnement de grandes zones géographiques prenant en compte les impacts des ressources clés au développement des plantes (température, rayonnement, eau et azote) sur la performance des cultures. Le niveau de disponibilité de ces ressources a été estimé en utilisant des approches de modélisation de culture, intégrant données météorologiques et caractéristiques de sol. L'efficacité d'utilisation des ressources disponibles a été caractérisée par les pratiques culturales ainsi que la stratégie et l’environnement technique des agriculteurs. Une procédure générique d’intégration de la donnée a été établie et utilisée pour décrire la production de maïs grain en Amérique du Nord de 1991 à 2013. Le jeu de données résultant de cette intégration couvre 84% des superficies plantées en maïs, décrites par 1 558 unités spatiales élémentaires, pour un total de 28 303 scénarios indépendants. Cette méthode combine et harmonise les observations de rendement issues des statistiques agricoles avec un large ensemble de descripteurs pertinents de conditions de croissance.Un sous-ensemble de 21 facteurs limitants a été identifié par une analyse de sélection de variables pour expliquer 66% de la variabilité des pertes de rendement observées. Compte tenu du nombre de dimensions du jeu de donnée, la méthode relaxed lasso a été choisie comme un compromis intéressant entre capacité de prédiction et d’interprétation. Les descripteurs sélectionnés montrent la contribution de la gestion des cultures à la variabilité des pertes de rendement, en particulier les niveaux d'intensification de l’agriculture et l’environnement technique des agriculteurs. Le troisième facteur principal est la disponibilité en eau et la sécheresse qui en résulte. L’utilisation des connaissances en physiologie dans la conception de descripteurs a considérablement amélioré la capacité d’interprétation de la proposition et la confiance des utilisateurs finaux dans l'approche.La structure des facteurs limitant le rendement a été utilisée pour identifier les Environnements Types les plus fréquents. Deux approches ont été proposes : l’une axée uniquement sur les facteurs physiologiques et l’autre intégrant également l’identification de marchés de taille homogène. 11 Environnements Types ont été identifiés en fonction des facteurs physiologiques et 8 en combinant facteurs physiologiques et contraintes de taille de marché. Les Environnements Types basés sur les facteurs physiologiques sont très informatifs sur l'évolution historique des pratiques culturales et les changements de stratégie des agriculteurs au cours du temps. Une telle catégorisation des conditions de croissance a montré des capacités à reproduire l'expertise de terrain et à soutenir l'évaluation de génotypes. Trois cas d'utilisation ont servi à illustrer l'intérêt de l'approche pour (i) décrire l'historique environnemental d'un marché, (ii) définir des populations d’Environnements cibles (TPE) et (iii) évaluer la pertinence de l'échantillonnage environnemental de réseaux multi-lieux (MET). / The global demand for food and energy is constantly increasing. As access to spare arable land is limited, growers will have to produce about 70% more per hectare by 2050. Optimization and rationalization of the agricultural production systems is then critical to ensure food security under sustainable conditions. The agricultural community would be in a position to optimize crop performance by better understanding the cropping systems, especially regarding potential production and limiting factors. In this context, the ability to characterize crop growing conditions in regards to their impacts on potential yield and yield gap is important in order to identify margins of progress and propose improved farming systems.An approach is proposed to characterize the crop environment of large geographical areas taking into consideration the impact on crop performance of the key resources for plant development (temperature, solar radiation, water and nitrogen). The level of availability of each resource was estimated by using crop modeling approaches integrating weather data and soil characteristics as inputs. The efficiency of use of the available resources was characterized by crop practices, grower strategy and grower technical environment. A generic integration procedure was established and used to describe corn production for grain in North America from 1991 to 2013. The resulting dataset covers 84% of the total corn planted area, deciphered in 1,558 elementary spatial units, for a total of 28,303 independent scenarios. Such a method combines and harmonizes, at scale, yield observations from agricultural statistics with a large set of relevant descriptors of growing conditions.A subset of 21 main limiting factors was identified through variable-selection analysis to explain 66% of the observed yield-gap variability. The relaxed lasso method resulted in an interesting compromise between interpretability and prediction ability. The selected descriptors highlighted the contribution of crop management in yield-gap variability, especially regarding levels of crop intensification and the technical environment of growers. The third main factor is water availability and resulting drought. The integration of knowledge in crop physiology into descriptor design significantly improved the interpretability of the proposal and the confidence of end-users in the approach.Yield-gap patterns were used to identify the set of most frequent Environment Types. Two approaches were proposed: one focused on crop physiology drivers and another also considered market-size homogeneity among Environment Types. This resulted in 11 Environment Types based on crop physiology drivers and 8 Environment Types when combining crop physiology drivers and market constraints. Crop-physiology Environment Types are very informative on the historical evolution of cultural practices and the changes in grower strategies over the studied period. Such categorization of growing conditions demonstrated the ability to reproduce field expertise and support genotype evaluation. Three business Use Cases were used to illustrate the interest of the approach in (i) describing the environmental history of a market, (ii) defining relevant Target Population Environments (TPE) and (iii) evaluating the environmental sampling relevance of Multi-Environment Trials (MET).