Optimisation de la production de biomasse et d’ammonium extracellulaire par des cyanobactéries diazotrophes cultivées en photo-bioréacteurs

Optimization of biomass production and ammonium excretion by nitrogen fixing cyanobacteria grown m photo bioreactors

• Auteur / Autrice : Lan Ahn Bui
• Direction : Jack Legrand, Dominique Grizeau, Catherine Dupré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, génie des bioprocédés
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Université Nantes-Angers-Le Mans - COMUE (2009-2015)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Cornet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jack Legrand, Dominique Grizeau, Catherine Dupré, Jean-François Cornet, Laurent Cournac, Denis de La Broise, Alain Couté
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Cournac, Denis de La Broise

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mutagenèse

Ammonium

Cyanobactéries

Anabaena variabilis

Mots clés libres

Photo-bioréacteur

Résumé

Les propriétés diazotrophiques de cyanobactéries hétérocytées sont étudiées depuis plus de deux décennies pour des applications agricoles. Elles sont actuellement réexaminées comme source d'azote pour la production d'algofuels. L'objectif de ce travail était d'identifier les paramètres cinétiques déterminants pour la production de biomasse et d'ammonium extracellulaire par culture en photo-bioréacteurs d'une cyanobactérie hétérocytée. Différents caractères ont été associés à la production de biomasse et d'ammonium, tels que le taux d'hétérocytes, le profil d'acides gras et les vitesses spécifiques d'excrétion d'ammonium dans des cultures Anabaena variabilis PCC 7937. Ce phénotypage partiel a permis de caractériser une souche, A. Variabilis PCC 7937-C9, obtenue par double mutagenèse associée à une inhibition de la glutamine synthétase. Les cinétiques de production de la souche mutante ont été comparées à celles de la souche sauvage en mode chémostat en relation avec le taux de dilution et les teneurs en carbone inorganique. L'étude menée en régime stationnaire a montré que les paramètres des transferts gaz-liquide sont déterminants. Les différences entre les valeurs de productivités volumétriques et spécifiques en ammonium extracellulaire obtenues en photo­bioréacteurs à trichomes encapsulés dans des billes d'alginate de calcium et celles obtenues en cultures de trichomes libres de la souche mutante ont été analysées en fonction de l'état de colonisation des gels d'immobilisation et des transferts de gaz. Cette étude a permis d'acquérir des données expérimentales sur les conditions de bioproduction d'ammonium pouvant être utilisé pour la culture de microalgues.

Besides potential applications in the agriculture field as natural nitrogen fertilizer, Nr fixing cyanobacteria have recently gained some attentions for new applications linked to the potential production of biologically active molecules or small molecules such as hydrogen or ammonium for algafuels. The aim of this research was to investigate kinetic and yield parameters for biomass and extracellular ammonium production by heterocytous cyanobacteria cultures in photobioreactors. Preliminary data dealed with phenotypic traits of Anabaena variabilis PCC 7937 included heterocyts proportion, fatty acids composition and specific rate of ammonium excretion characteristics linked to biomass production and ammonium release. A mutant strain, A. Variabilis PCC 7937-C9 was obtained by double random mutagenesis treatment with ethyl methane-sulfonate, followed by selection in batch cultures with increasing concentrations of a glutamine synthetase inhibitor, methionine sulfoximine. The wild-type and the mutant strains were compared using a kinetic analysis of biomass production and ammonium excretion in continuous cultures as a function of the dilution rate and the inorganic carbon supply. Experimental data confirmed that molecular nitrogen transfer to culture medium is a limiting factor for cell growth and ammonium excretion in diazotrophic free-cell cultures. This limitation seems to explain the low specific ammonium excretion rates obtained in Ca-alginate immobilized cells of A. Variabilis PCC 7937-C9 in photobioreactors. These experimental data have highlighted some bioproduction conditions of ammonium, which could be used as N-source for microalgae production.