Hydrogénase - Promoteur ou inhibiteur de la corrosion microbienne ?

Hydrogenase - Promoter or inhibitor of the microbial corrosion ?

• Auteur / Autrice : Ingrid Rouvre
• Direction : Régine Basséguy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 11/04/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadine Pébère
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régine Basséguy, Claude Duret Thual, Elisabeth Lojou, Damien Féron, Isabelle Meynial
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Duret Thual, Elisabeth Lojou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sites actifs (biochimie)

Acier de construction

Biodégradation

Hydrogénases

Mots clés libres

Biocorrosion

Hydrogénase

Transfert électronique direct

Acier doux

Centres FeS

Centre catalytique

Biocorrosion

Hydrogenase

Direct electronic transfer

Mild steel

FeS clusters

Catalytic center

Résumé

Les hydrogénases ont été identifiées comme des protéines clé de la corrosion induite par les microorganismes (CIM) mais leur réel impact est encore sujet à controverses. Bien qu’elles soient présentes dans la plupart des microorganismes impliqués dans la biocorrosion anaérobie, leur participation dans un transfert électronique direct a rarement été démontrée. L’objectif de ce travail est d’étudier l’influence de l’hydrogénase sur la corrosion anaérobie de l’acier en approfondissant la compréhension des phénomènes interfaciaux qui régissent son action. Il s’agit en particulier d’étudier l’incidence des centres Fe-S présents dans la protéine et qui s’étaient révélés être des acteurs majeurs lors de précédents travaux au LGC. Pour cela, différents types d’hydrogénases ont été conçus, élaborés en collaboration avec l’équipe EAD3 du LISBP, INSA Toulouse, et étudiés : la native et des mutants possédant un nombre plus ou moins important de centres Fe-S. Dans un premier temps, le choix des matériaux a été réalisé sur la base des résultats de caractérisation et d’étude du comportement électrochimique dans le milieu Tris-HCl. L’acier doux S235JR a été choisi car c’est le matériau le plus réactif pour mettre en évidence l’influence de l’hydrogénase. Par la suite, les premières études en présence de divers types d’hydrogénases (native et mutants) ont révélé que la présence de certaines molécules additionnelles dans le milieu de purification ne permet pas d’obtenir un saut du potentiel d’abandon et une vitesse de corrosion exclusivement liés aux enzymes. Le protocole de purification des enzymes a donc été optimisé pour permettre un meilleur rendement de purification avec une activité enzymatique haute, tout en ayant le moins possible d’impact sur les signaux électrochimiques. Enfin, l’utilisation d’un sac de dialyse pour concentrer l’hydrogénase au voisinage de l’électrode de travail a permis d’exacerber l’effet de l’enzyme : une augmentation du potentiel d’abandon ainsi que de la vitesse de corrosion a été observée. La spectroscopie d’impédance couplée à des analyses de surface a également confirmé le fort pouvoir corrosif de l’hydrogénase. En outre, les électrolyses réalisées à potentiel cathodique ont mis en évidence la catalyse de la réaction de réduction par transfert électronique direct entre l’hydrogénase et la surface de l’acier. Le moteur responsable de la prise d’électrons est le centre catalytique de l’enzyme, les centres Fe-S jouant seulement un rôle de transfert des électrons au sein de la protéine.

Hydrogenases have been identified as key proteins in microbially induced corrosion (MIC) phenomena but their real impact is still a controversial issue. Even though they are present in most of the microorganisms involved in anaerobic biocorrosion, their participation in a direct electron transfer mechanism has rarely been demonstrated. The purpose of the present work is to study the influence of hydrogenase on the anaerobic corrosion of steel by deepening the understanding of interfacial phenomena governing its action. The study is particularly focusing on the effect of Fe-S clusters, which had proved to be major players in earlier work at LGC. To achieve this, different types of hydrogenases were designed, developed in collaboration with the EAD3 team of LIBP, INSA Toulouse, and studied: the native and mutants, containing a higher or lower number of Fe-S. First, the material choice was carried out on the base of the characterization results and electrochemical behavior study in TrisHCl medium. The S235JR mild steel was chosen since it is the more reactive material to highlight the influence of hydrogenase. Thereafter, the first studies in presence of various types of hydrogenases (native and mutants) have revealed that the presence of additional molecules in the purification medium does not permit to get an open-circuit potential jump and a corrosion rate that could be attributed solely to enzymes. The enzyme purification protocol has been then optimized to simultaneously allow a better purification performance with a high enzymatic activity and a lower impact on electrochemical signals. Finally, the use of a dialysis bag to concentrate hydrogenase in the close vicinity of the working electrode led to the exacerbation of the enzyme effect: an open-circuit potential ennoblement as well as a corrosion rate increase were observed. Impedance spectroscopy coupled with surface analysis also confirmed the strong corrosiveness of hydrogenase. Electrolysis performed at a cathodic potential brought to light the catalysis of the reduction reaction that occurred by direct electronic transfer between the hydrogenase and the steel surface. The driving force of the electron uptake is the catalytic center of the enzyme, the Fe-S clusters only acting in the electron transfer within the protein.