Immobilisation et culture continue en bioréacteur gas-lift de microorganismes marins thermophiles et hyperthermophiles anaérobies

par Matthieu Landreau

Thèse de doctorat en Microbiologie

Sous la direction de Gwenaelle Le Blay Laliberte et de Anne Godfroy.

Le président du jury était Georges Barbier.

Le jury était composé de Gwenaelle Le Blay Laliberte, Anne Godfroy, Georges Barbier, Bernard Ollivier, Rémy Guyoneaud, Christian Jeanthon.

Les rapporteurs étaient Bernard Ollivier, Rémy Guyoneaud.


  • Résumé

    Depuis la découverte des cheminées hydrothermales, de multiples travaux ont été menés afin d’en étudier la diversité microbienne. Les inventaires moléculaires réalisés ont ainsi mis en évidence une grande diversité d’espèces qui contraste avec la faible proportion (1 %) d’espèces isolées par approche culturale. Une nouvelle approche d’immobilisation cellulaire par inclusion dans une matrice de polymères (gellane et xanthane) a ainsi été développée pour permettre l’étude de ces communautés thermophiles anaérobies marines. Le système, basé sur la formation d’une émulsion entre une solution de polymères inoculée et de l’huile, permet le piégeage de cellules dans des billes de gel de 1 à 2 mm de diamètre. Les conditions optimales d’immobilisation ont été obtenues pour une émulsion réalisée à 80 °C sous agitation (150 tr/min) à partir d’une solution de gellane (2,5 %) et de xanthane (0,25 %) avec 12 g/L de NaCl et 4 g/L de citrate de sodium, bullée à l’azote et réduit au Na2S avant inoculation. Les billes ont montré une bonne résistance mécanique après 5 semaines d’incubation à des pH compris entre 5,4 et 8, des températures allant jusqu’à 90 °C et des concentrations en NaCl et soufre allant jusqu’à respectivement 80 et 5 g/L. Des cultures en batch de Thermosipho sp. AT1272 et Thermococcus kodakarensis KOD1 immobilisées ont permis d’obtenir des concentrations allant jusqu’à 107 cellules/g de billes et 108 cellules/mL de fraction liquide. Une culture en continu réalisée en bioréacteur gas-lift pendant 41 jours à partir d’une communauté synthétique immobilisée composée de 8 souches (hyper)thermophiles a démontré la capacité de l’immobilisation cellulaire à protéger les cellules face à un stress oxique et à les maintenir (3 des 8 souches) dans le bioréacteur jusqu’à ce que les conditions de culture soient propices à leur croissance. La réactivité de la communauté immobilisée face aux changements environnementaux (température) a également été démontrée. Enfin, la culture en continu réalisée pendant 64 jours d’un échantillon immobilisé de diffuseur du site Rainbow a permis la croissance de plusieurs espèces bactériennes et archéennes (Oceanithermus sp., Thermococcus sp.) dont une partie n’a été détectée que dans les billes (Sulfurimonas sp., Nitratifractor sp., Vibrio sp.) par clonage-séquençage. L’ensemble de ces résultats ont permis de valider l’utilisation d’un protocole d’immobilisation par inclusion dans une matrice de polymères pour l’étude des communautés hydrothermales, de leur diversité et de leur dynamique.

  • Titre traduit

    Immobilization and continuous culture in gas-lift bioreactor of thermophilic and hyperthermophilic marine anaerobic microorganisms


  • Résumé

    Since the discovery of hydrothermal vents, multiple studies have been conducted in order to study microbial diversity. Molecular inventories realized have thus demonstrated a great diversity of species that contrasts with the low proportion (1%) of species isolated by culture approach. A new cell immobilization approach by inclusion in a polymer matrix (gellan and xanthan) has been developed for the study of these thermophilic anaerobic marine communities. The system, based on the formation of an emulsion between an inoculated polymer solution and oil, allows the entrapment of cells in gel beads with a diameter between 1 and 2 mm. The optimal immobilization conditions were obtained for emulsion performed at 80 °C with stirring (150 rpm) with a polymer solution composed of gellan (2.5%) and xanthan (0.25%) with 12 g/L of NaCl and 4 g/L of sodium citrate, bubbled with nitrogen and reduced with Na2S before inoculation. The beads showed a good mechanical stability after a 5-week incubation at pH between 5.4 and 8, temperatures up to 90 °C and NaCl and sulfur concentrations up to respectively 80 and 5 g/L. Batch cultures of immobilized Thermosipho sp. AT1272 and Thermococcus kodakarensis KOD1 yielded concentrations up to 107 cells/g of beads and 108 cells/mL of liquid fraction. A continuous culture performed in a gas-lift bioreactor for 41 days of an immobilized synthetic community composed of 8 (hyper)thermophilic strains demonstrated the capacity of cell immobilization to protect cells from oxique stress and to maintain them (3 of 8 strains) in the bioreactor until having suitable culture conditions for their growth. The reactivity of the immobilized community to environmental change (temperature) was also demonstrated. Finally, the continuous culture performed for 64 days of an immobilized diffuser sample from Rainbow site allowed the growth of several bacterial and archaeal species (Oceanithermus sp., Thermococcus sp.), part of which was detected only in the beads (Sulfurimonas sp., Nitratifractor sp., Vibrio sp.) by cloning-sequencing. All these results have validated the use of an immobilization protocol by inclusion in a polymer matrix for the study of hydrothermal communities, of their diversity and their dynamics.


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