Production de bio-hydrogène par fermentation sombre de résidus lignocellulosiques ˸ liens entre structure du substrat et communautés bactériennes fermentaires

Production of biological hydrogen by dark fermentation of lignocellulosic residues˸ links between substrate composition and structure of fermentative bacterial communities

• Auteur / Autrice : Lucile Chatellard
• Direction : Hélène Carrère, Eric Trably
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Agroressources, Procédés, Aliments, Bioproduits
• Date : Soutenance le 18/11/2016
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Carrère, Eric Trably, Patrick Dabert, Pierre Fontanille, Carole Molina, Éric Dubreucq
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Dabert, Pierre Fontanille

Mots clés

Mots clés libres

Fermentation sombre

Hydrogène

Biomasse lignocellulosique

Sucres

Métabolismes anaérobies

Bactéries hydroliques

Dark fermentation

Hydrogen

Lignocellulosic biomass

Carbohydrates

Anaerobic metabolisms

Hydrolytic bacteria

Résumé

La fermentation sombre est un procédé biologique naturel qui permet de produire de l’énergie sous forme de dihydrogène (H2) tout en dégradant des déchets organiques et notamment les résidus agricoles, majoritairement composés de lignocellulose. Ce procédé repose sur l’activité conjointe de microorganismes fermentaires qui, grâce à leur fonctionnement en écosystème, possèdent un potentiel enzymatique performant à la fois pour dégrader des substrats complexes, tels que la biomasse lignocellulosique et produire de l’hydrogène. Cependant, la présence de bactéries non productrices ou consommatrices d’H2 entraine des fluctuations de production. Cette thèse a pour objectif d’apporter des éléments de compréhension des mécanismes de sélection des bactéries fermentaires au cours du procédé de fermentation sombre, en relation avec le type de substrat utilisé et les voies métaboliques empruntées. Les expériences menées en réacteurs batch ont permis de mettre en évidence que la structure initiale de la communauté microbienne et la composition du substrat, type de sucre et degré de polymérisation, ont toutes deux une importance capitale dans le déroulement de la fermentation et les quantités d’H2 produites. Les inocula riches en bactéries du genre Clostridium et Enterobacter seront plus aptes à produire l’H2 que ceux dont la proportion en bactéries affiliées aux familles Bacillaceae and Paenibacillaceae est plus importante. Les résultats démontrent également que sur substrat complexe, des bactéries hydrolytiques de type Ruminococcaceae et Lachnospiraceae sont préférentiellement sélectionnées. L’utilisation d’un procédé fed-batch sur ce type de substrat a permis d’augmenter les temps de culture et ainsi d’enrichir le milieu en ces bactéries hydrolytiques, même en présence d’une forte abondance relative initiale de bactéries de la famille des Enterobacteriaceae. Cette thèse apporte de nouvelles informations sur la dynamique des communautés bactériennes au sein des procédés fermentaires et ouvre ainsi de nouvelles perspectives sur le management des cultures mixtes en vue de produire de l’hydrogène vert et renouvelable.

Dark fermentation is a natural biological process that can be used to degrade organic waste, such as lignocellulosic residues, and to produce energy under the form of hydrogen (H2). The process is based on the activity of fermentative microorganisms in consortia that develop an efficient enzymatic activity to degrade complex substrate as lignocellulose. The presence of hydrogen non-producing or consuming bacteria in the system can result in gas production fluctuation. This thesis aims to highlight the mechanisms behind the selection of fermentative bacteria during dark fermentation, regarding the type of substrate and the final metabolisms. Batch experimentation brought out that both inoculum community structure and substrate composition, i.e. type of carbohydrate and degree of polymerisation, are important for the fermentation progress and thus hydrogen production. Inocula rich in bacteria from Clostridium sp. and Enterobacter sp. genera appeared to be more likely linked to H2 production than mixed culture rich in microorganisms affiliated to Bacillaceae and Paenibacillaceae families. Results also showed hydrolytic bacteria from Ruminococcaceae and Lachnospiraceae families are preferentially selected on complex substrates. The use of fed-batch process on these types of substrates increased the experimental time and was used to enrich the microbial culture into these bacteria. Overall, this thesis provides new insights on the dynamics of bacterial communities within the dark fermentation process. It opens up new perspectives on mixed culture management to produce green and renewable hydrogen.