Caractérisation de l'hydrophobie des polymères extracellulaires (PEC) extrait de biofilms : une étude basée sur la technique de la résine DAX-8

Hydrophobic features of extracellular polymeric substances (EPS) extracted from biofilms : an investigation based on DAX-8 resin technique

• Auteur / Autrice : Feishu Cao
• Direction : Eric Van Hullebusch, Piet N. L. Lens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 28/06/2017
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec UNESCO-IHE Institute for Water Education
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) - Laboratoire Géomatériaux et Environnement / LGE
• Jury : Président / Présidente : Giovanni Esposito
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Van Hullebusch, Gilles Guibaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Davide Zannoni, Gaetano Di Bella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie organique

Polymères

Biofilms

Mots clés libres

Pec

Hydrophobicité

DAX-8 resin

Boues granulaires anaérobies

Distribution de poids moléculaire

Eem

Eps

Hydrophobicity

DAX-8 resin

Anaerobic granular sludge

Molecular weight distribution

Eem

Résumé

Les propriétés hydrophobes des polymères extracellulaires (PEC) exercent l’influence profonde sur les propriétés de la surface cellulaire. Cependant, de nombreux facteurs tels que les méthodes d'extractions, le type de substrat influencent les caractéristiques des PEC et les informations concernant des caractéristiques hydrophobes sont rarement documentées. L'objectif principal de cette étude est de développer une méthode appropriée pour étudier l'hydrophobicité des PEC, puis d'étudier les caractéristiques hydrophobes des PEC.Le fractionnement hydrphobe par la résine Supelite™ DAX-8 a d'abord été appliqué sur les PEC extraits de boues granulaires anaérobies, deux conditions de pH d'élution (pH 2 et 5) ont été testées. L'impact de sept méthodes d'extraction sur les caractéristiques hydrophobes des PEC a été évalué. Les résultats ont montré que les méthodes d'extraction et le pH de la solution extraitante ont influencé la composition des PEC et leur hydrophobicité. En outre, les extraitants des PEC, par exempe le formaldéhyde, l'éthanol, le dodécylsulfate de sodium (SDS) et Tween 20, ont non seulement introduit une teneur supplémentaire en carbone pendant la mesure du carbone organique total (COT), mais ils ont également interagit avec la résine DAX-8. En comparant la répartition du poids moléculaire apparent (aMW) des échantillons des PEC non traités et ajustés au pH détectés par chromatographie d'exclusion stérique (en anglais SEC), l’information plus complète d’aMW a été préservée à pH 5. Ainsi, le fractionnement hydrophobe par la résine DAX-8 à pH 5 et les méthodes physiques d'extraction PEC ont été préférés dans cette étude.Une analyse qualitative détaillée des caractéristiques hydrophobes des EPS a été étudiée par la technique de la matrice de fluorescence d’excitation-emission (EEM). Les résultats ont montré que les substances de type humique (HS-like) représentaient la majorité des composés organiques des PEC extraits de la boue granulaire anaérobie, et constituaient également le principal support moléculaire de l'hydrophobicité des extraits. Ces composés hydrophobes de type HS étaient essenciellement des molécules petites tailles de 8 kDa à <1 kDa. L’hydrophobité contributée par les protéines (PN) et les polysaccharides (PS) présentait un moindre rapport.Afin d’explorer les propriétés hydrophobes de PN et de PS, ainsi évaluer l'impact de l'addition de Ni(II) sur l'hydrophobicité des extraits des champignons, fongi Phanerochaete chrysosporium a été choisi. Les résultats ont montré que la teneur de PN et de PS dans les PEC extrait de ce type de fongi variait en fonction de la concentration de Ni(II). Avec une augmentation de la concentration de Ni de 0 mg/L à 25 mg/L, la teneur en PN a diminué alors que celle de PS a été augmentée. L'hydrophobicité des PEC du fongi, déterminée par le traitement de la résine DAX-8, a diminué lors que la concentration de Ni augmentait. Par ailleurs, l'intensité du pic de SEC correspondant aux molécules PN-like (Ex/Em = 225/345 nm) de 1,9 × 103 à 10 kDa a été augmentée par l'addition Ni; en même temps, la distribution d’aMW des composés organiques totaux (UV/210) dans les PEC restait presque stable. Ces résultats ont indiqué que les composés de type PN-like peuvent avoir déterminé l'hydrophobicité des PEC fongique dans des conditions de stress.Dans l’extrait plus hétérogène des PEC de boues granulaires anaérobies, des composés HS-like représentaient le composant organique majeur, ainsi le principal support moléculaire de l'hydrophobicité des PEC. En étudiant les caractéristiques hydrophobes des PEC extrait du champignon Phanerochaete chrysosporium, le PN et le PS des PEC jouaient un rôle actif dans la protection du champignon sous le Ni. La concentration élevée de Ni a diminué l'hydrophobicité des PEC fongique, mais elle a augmenté l'hydrophobicité de la surface cellulaire du champignon. Il semble que la présence de Ni favorise l'apparition d'un champignon plus hydrophobe

The hydrophobic properties of extracellular polymeric substances (EPS) exert a profound influence on the cell surface properties. However, many factors such as EPS extractions methods, substrate type influence EPS characteristics, and limited information regarding to the hydrophobic features of EPS can be found. The main aim of this study is to develop a proper method to study EPS hydrophobicity, and then investigate the hydrophobic features of EPS.The hydrophobic fractionation by Supelite™ DAX-8 resin was first applied on the EPS extracted from anaerobic granular sludge, two elution pH conditions i.e. pH 2 and 5 were tested. The impact of seven EPS extraction methods on the hydrophobic features of EPS was assessed. The results showed that the extraction methods and bulk solution pH dramatically influenced the EPS composition and their hydrophobicity. Besides, the EPS extracting reagents namely formaldehyde, ethanol, sodium dodecyl sulfate (SDS) and Tween 20 not only introduced extra carbon content during total organic carbon (TOC) measurement, but also interacted with the DAX-8 resin. By comparing the apparent molecular weight (aMW) distribution of the untreated and pH-adjusted EPS samples detected by size exclusion chromatography, more complete EPS aMW information was preserved at pH 5. Thus, the hydrophobic fractionation by DAX-8 resin at pH 5 and physical EPS extraction methods were preferred in this study.After identifying the proper conditions for DAX-8 resin fractionation, detailed qualitative analysis of the EPS hydrophobic features was further investigated. The results showed that the humic-like substances (HS-like) were the major organic constituent of the EPS extracted from the anaerobic granular sludge, and they were also the main molecular support of the EPS hydrophobicity. Those hydrophobic HS-like compounds were mainly small molecules ranging from 8 kDa to <1 kDa. Proteins (PN) and polysaccharides (PS) contributed to the EPS hydrophobicity to a lesser extent.The role of PN and PS in the EPS hydrophobicity was difficult to be shown. It is known that the major organic constituents of the EPS extracted from bacteria, algae and fungi are PN and PS. Therefore, to explore the hydrophobic features of PN and PS, as well as to investigate the impact of Ni(II) addition, on the EPS hydrophobicity, the fungus Phanerochaete chrysosporium was chosen. The results showed that the contents of PN and PS in the extracted fungal EPS varied with the Ni(II) concentration. With an increase in the Ni concentration from 0 mg/L to 25 mg/L, the PN content was decreased whereas the PS content was increased. The fungal EPS hydrophobicity, determined by the DAX-8 resin treatment, was decreased as the Ni concentration increased.Besides, the peak intensity on the size exclusion chromatography (SEC) corresponding to the PN-like molecules (Ex/Em = 225/345 nm) ranging from 1.9×103 to 10 kDa were intensified by the Ni addition, while the aMW distribution of the total organics (UV/210) in the EPS remained almost stable. These results indicated that those PN-like compounds may determine the hydrophobicity of fungal EPS under stress conditions.For the more heterogeneous EPS extracted from anaerobic granular sludge, HS-like compounds were identified as the major organic component, as well as the main molecular support of the EPS hydrophobicity. By studying the hydrophobic features of the EPS extracted from the fungus Phanerochaete chrysosporium, it showed that the PN and PS in the EPS played an active role in protecting the fungus under Ni stress. The increased Ni concentration decreased the hydrophobicity of fungal EPS, but it increased the cell surface hydrophobicity of the fungus. It seems that the presence of Ni promoted the fungus becoming more hydrophobic