Isolement et caractérisation des bactéries marines hydrocarbonoclastes, production des biosurfactants et étude de la biodiversité microbienne au sein de trois ports de Sfax, Tunisie

by Dorra Hentati

Doctoral thesis in Biotechnologie et microbiologie

Under the supervision of Jean jacques Godon and Mohamed Chamkha.

defended on 17-12-2018

in Montpellier and the jointly supervising institution l'Université de Sfax (Tunisie) , under the authority of GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau , in a partnership with Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne) (laboratoire) .

Thesis committee President: Sami Maalej.

Thesis committee members: Jean jacques Godon, Mohamed Chamkha, Sami Maalej, Ghribi Dhouha, Robert Duran, Jérôme Harmand.

Examiners: Ghribi Dhouha, Robert Duran.

  • Alternative Title

    Isolation and characterization of marine hydrocarbonoclastic bacteria, production of biosurfactants and study of microbial biodiversity in three harbors of Sfax, Tunisia


  • Abstract

    Pollution of coastal marine ecosystems by hydrocarbons, in particular polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), is a major environmental problem. The South coast of Sfax (Tunisia) is an example of a polluted ecosystem subject to both urbanization and industrialization including the outfall of untreated domestic sewage and wastewaters, fishery activities, as well as ship traffic and boat pollution. The physico-chemical characterization of the seawater taken from three harbours (pleasure, commercial and fishing) of the city of Sfax, showed a heavy contamination by organic and inorganic micropollutants. These are excellent tracers of urban and industrial pollution, and they are among the most toxic compounds due to their low biodegradation.The molecular fingerprinting technique (PCR-SSCP) showed the dominance of the Bacteria domain followed by Eucarya and Archaea within the studied marine samples. Statistical analysis using the R software, showed that no correlation was identified between the bacterial community identified by PCR-SSCP and the studied physico-chemical parameters.In another part, four marine, aerobic and hydrocarbonoclastic strains: Bacillus stratosphericus FLU5, Pseudomonas aeruginosa NAPH6, Bacillus licheniformis PYR2, isolated after enrichments on fluoranthene, naphthalene and pyrene, respectively, and in the presence of 30 g/l NaCl. Strain Staphylococcus sp. CO100 was isolated after enrichment on crude oil, in the presence of 100 g/l. Chromatographic analysis (GC-MS or GC-FID), showed the interesting biodegradative capacities of these recalcitrant compounds by the isolated bacteria.Besides, these strains showed their capacity to produce efficient surface active agents BS-FLU5, BS-NAPH6, BS-PYR2 and BS-CO100, on several substrates and in particular the residual frying oil, which is a cheap and renewable carbon source alternative, thus minimizing the high cost of producing surfactants. The MALDI-TOF/MS analysis of the purified BS-FLU5, BS-PYR2 and BS-CO100 biosurfactants revealed that they are belonging to lipopeptide family. FTIR analysis showed the glycolipid nature, more precisely the rhamnolipid type, of biosurfactant BS-NAPH6.These four biosurfactants are characterized by interesting tensioactive properties (low CMC, important surface tension reduction...). Furthermore, these surface active agents showed interest stability against a broad range of pH, temperature and salinity. The application of these biosurfactants, in oil recovery, from hydrocarbons-contaminated soil, showed that they were more effective on the hydrocarbon-remobilization than some tested synthetic surfactants. The biosurfactants BS-FLU5, BS-PYR2 and BS-CO100, were found to have notable anti-adhesif and anti-biofilm activities, being able to prevent and eliminate the biofilm formation by pathogenic microorganisms. Moreover, the four tested biosurfactants showed an interesting healing activity, on the wound site in a rat model. They increased significantly the percentage of wound closure when compared to the untreated and CICAFLORA® (a reference pharmaceutical product) treated groups, using two different concentrations (5 and 10 mg/l). Interestingly, the evaluation of the cytotoxicity of the studied biosurfactants, showed that they have no toxic effects on human HEK-239 cells at concentrations up to 1000 μg/ml for BS-FLU5 and BS-CO100 and up to 200 μg/ml for BS-NAPH6 and BS-PYR2. An attempt to produce biosurfactant produce by strain FLU5 on a pilot-scale (fermentors of 20 and 100 liter, as total volume), using a cost-effective medium, was also performed. Preliminary results showed an increase in the quantities of biosurfactantsBS-FLU5 produced on a pilot-scale compared to the lab-scale (Erlenmeyer of 1 liter).These results highlight the interest for potential use of strains FLU5, NAPH6, PYR2 and CO100, as well as their biosurfactants, in a wide variety of industrial, environmental and biotechnological applications.


  • Abstract

    La pollution des écosystèmes marins côtiers par les hydrocarbures, en particulier les HAPs, est un problème environnemental majeur. Le même constat est fait pour le littoral Sud de Sfax (Tunisie) dont la pollution presque généralisée menace sérieusement les ressources naturelles existantes dans la région. La caractérisation physico-chimique des échantillons marins prélevés à partir des trois ports (plaisance, commerce et pêche) de la ville de Sfax, prouve une contamination par des micropolluants organiques (hydrocarbures) et inorganiques (métaux) qui sont considérés comme des excellents traceurs de la pollution urbaine et industrielle et ils font partie des composés les plus toxiques étant donné leur faible biodégradation. La méthode d’empreinte moléculaire (PCR-SSCP) montre une dominance du domaine Bacteria suivie des Eucarya et des Archaea au sein des échantillons marins étudiés. Les analyses statistiques par le logiciel R ont montré l’absence de corrélation entre la communauté bactérienne identifiée par PCR-SSCP et les paramètres physico-chimiques étudiés.Dans une autre partie de travail, quatre souches bactériennes marines hydrocarbonoclastes ont été isolées et caractérisées sur les plans phénotypique et phylogénétique, après des enrichissements sur des HAPs et sur le pétrole brut: FLU5 de Bacillus stratosphericus, NAPH6 de Pseudomonas aeruginosa, PYR2 de Bacillus licheniformis isolées sur le fluoranthène, le naphtalène et le pyrène, respectivement, en présence de 30 g/l NaCl; et CO100 de Staphylococcus sp., isolée sur le pétrole brut, en présence de 100 g/l NaCl. Les analyses chromatographiques, GC-MS ou GC-FID, montrent les capacités biodégradatives intéressantes de ces composés récalcitrants par les bactéries isolées. En outre, ces quatre souches bactériennes, sont capables de produire des biosurfactants nommés BS-FLU5, BS-NAPH6, BS-PYR2 et BS-CO100, sur plusieurs sources de carbones, y compris l’huile de friture résiduelle, un substrat bon marché, minimisant ainsi le coût élevé de production de ces tensioactifs. Les analyses MALDI-TOF/MS, des biosurfactants BS-FLU5, BS-PYR2 et BS-CO100 purifiés, montrent qu’il s’agit des lipopeptides, les biosurfactants BS-NAPH6 sont de nature rhamnolipidique, sur la base des analyses FTIR. Ces quatre biosurfactants sont caractérisés par des propriétés tensiactives intéressantes : une faible CMC, une importante réduction de la tension de surface... Ils sont stables vis-à-vis d’une large gamme de pH, de température et de salinité. De plus, ces agents tensioactifs sont doués d’activité de remobilisation des hydrocarbures contenus dans des sols pollués par. Les biosurfactants BS-FLU5, BS-PYR2 et BS-CO100, présentent des activités anti-adhésives et anti-biofilms intéressantes contre des biofilms de certains microorganismes pathogènes. Par ailleurs, une propriété cicatrisante remarquable sur des plaies d’excision chez un modèle expérimental de rats de race Wistar, a été montrée par les quatre biosurfactants pour des concentrations de l’ordre de 5 et 10 mg/ml, en comparaison avec un cicatrisant de référence (CICAFLORA®). A noter que, l’évaluation de la cytotoxicité des biosurfactants étudiés, a montré qu’ils n’ont pas des effets toxiques sur des cellules rénales humaines HEK-239 à des concentrations jusqu’à 1000 µg/ml pour BS-FLU5 et BS-CO100 et jusqu’à 200 µg/ml pour BS-NAPH6 et BS-PYR2. La production des biosurfactants de la souche FLU5 à l’échelle pilote (deux fermenteurs de 20 et 100 litres, volume total), en présence d’un milieu économique, montre une augmentation des quantités des biosurfactants produits par rapport à l’échelle laboratoire (erlenmeyer, 1 litre). L’ensemble de ces résultats prometteurs, montrent que les souches marines isolées FLU5, NAPH6, PYR2 et CO100, ainsi que leurs biosurfactants demeurent d’intérêts biotechnologiques pour divers types d’applications, tels que la bioremédiation, l’agroalimentaire, la cosmétique...


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