Etude et contrôle de la fermentation électro-assistée en cultures mixtes : rôle et ingénierie des interactions microbiennes.

par Javiera Toledo Alarcon

Projet de thèse en Biotechnologie et Microbiologie

Sous la direction de Nicolas Bernet et de Eric Trably.

Thèses en préparation à Montpellier, SupAgro , dans le cadre de GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau , en partenariat avec LBE - Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (laboratoire) depuis le 01-10-2014 .


  • Résumé

    La conversion de substrats complexes, tels que les biomasses agricoles ou les résidus organiques, en vecteurs énergétiques (biocarburant, méthane, biohydrogène) par des écosystèmes microbiens anaérobies permet de valoriser efficacement cette matière organique tout en contribuant à la diminution de la consommation des ressources énergétiques fossiles et de la production de gaz à effet de serre et constitue une filière d'avenir de valorisation de la biomasse. Cependant, la diversité de ces substrats et des écosystèmes microbiens mis en œuvre dans ces bioprocédés rend difficile la maîtrise des voies de fermentation souhaitées et représente un challenge pour le développement de procédés stables. Les paramètres utilisés classiquement pour contrôler ces voies de fermentation se restreignent à la température, le pH, le temps de séjour hydraulique (pour les procédés continus) et la pression partielle en hydrogène. Ce projet de thèse propose d'introduire un nouveau levier de contrôle des voies de fermentation à travers l'utilisation de techniques électrochimiques. Une telle approche a récemment été proposée pour améliorer les performances de la digestion anaérobie d'effluents ou pour étudier l'effet du potentiel d'oxydo-réduction sur une culture pure d'organisme méthanogène. Plus récemment, l'utilisation d'électrodes polarisées a été appliquée à la fermentation du glycérol en 1,3 propanediol. Les effets observés dans ces différents travaux et les mécanismes impliqués dépendent des conditions de mise en œuvre des électrodes, en particulier des potentiels appliqués et donc de l'énergie introduite dans le système. Cette approche s'inspire des nombreuses recherches menées depuis une quinzaine d'années sur les systèmes bioélectrochimiques (BES) dans lesquels des microorganismes ont la capacité de transférer des électrons à une électrode (bioanode) ou d'utiliser ces électrons à partir d'une cathode (biocathode). Ces procédés, parmi lesquels la pile microbienne (MFC pour Microbial Fuel Cell) et l'électrolyseur microbien (MEC pour Microbial Electrolysis Cell), visent à produire de l'énergie ou des molécules d'intérêt via des réactions anodiques et/ou cathodiques catalysées par les biofilms microbiens formés sur les électrodes. La démarche de ce travail de thèse consiste à étudier les mécanismes de contrôle de ce nouveau levier électrochimique sur le processus de fermentation « classique » en culture mixte. L'objectif est de proposer des conditions opératoires permettant d'orienter et de stabiliser les voies métaboliques et donc le spectre de métabolites produits. Le modèle d'étude choisi pour la thèse est la fermentation du glucose pour la production de biohydrogène, modèle pour lequel le LBE a une expérience significative. En effet, au cours de récents il a été travaux ont mis en évidence l'importance des mécanismes d'interactions existants entre des espèces clés sous-dominantes et les populations microbiennes dominantes fermentaires et productrices de bioH2. Certaines de ces espèces clés étant électroactives, la compréhension de ces interactions et leur utilisation pour piloter les écosystèmes sera un volet important de cette thèse, dans le cadre d'une fermentation électro-assistée.

  • Titre traduit

    Study and control of electro-assisted fermentation in mixed cultures: role of microbial interactions and engineering.


  • Résumé

    The conversion of complex substrates, such as agricultural biomass or organic waste, energy carriers (biofuels, methane, biohydrogen) by anaerobic microbial ecosystems can effectively enhance the organic matter while contributing to the reduction in the consumption of energy resources fossils and the production of greenhouse gas emissions and is a future biomass conversion industry. However, the diversity of substrates and implemented in these bioprocesses microbial ecosystems makes it difficult to control desired fermentation pathways and represents a challenge for the development of stable processes. The parameters conventionally used to control such channels are restricted to the fermentation temperature, the pH, the hydraulic residence time (for continuous process) and the hydrogen partial pressure. This PhD project proposes to introduce a new control lever fermentation pathways through the use of electrochemical techniques. Such an approach has recently been proposed to improve the performance of the anaerobic digestion of manure or to study the effect of the redox potential of a pure culture of methanogenic organism. More recently, the use of polarized electrodes was applied to the fermentation of glycerol to 1,3-propanediol. The effects observed in the various works and mechanisms involved depend on the conditions of implementation of the electrodes, especially of the applied potential and thus the energy introduced into the system. This approach builds on extensive research conducted over the last fifteen years on bioelectrochemical systems (BES) in which microorganisms have the ability to transfer electrons to an electrode (bioanode) or use these electrons from a cathode (biocathode). These methods including microbial cell (MFC for Microbial Fuel Cell) and microbial electrolysis (Microbial Electrolysis Cell MEC), are designed to produce energy or molecules of interest via anodic reactions and / or cathode catalyzed by the electrodes formed on microbial biofilms. The approach of this thesis is to study the mechanisms of control of this new electrochemical lever on the fermentation process "classic" mixed culture. The objective is to provide operating conditions to guide and stabilize the metabolic pathways and therefore the spectrum of metabolites produced. The study design chosen for the thesis is the fermentation of glucose for biohydrogen production, the model for which LBE has significant experience. Indeed, in recent work was highlighted the importance of channels of interactions between sub-dominant key species and the dominant microbial populations and fermentation producing bioH2. Some of these key species are electroactive, understanding these interactions and their use to control the ecosystem will be an important part of this work, as part of an electro-assisted fermentation.