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

French. La fermentation sombre (DF) est un procédé biologique utilisé pour la production d'hydrogène (H2). Dans ce processus, une grande variété de substrats peut être utilisée, des substrats simples comme le glucose ou plus complexes comme les effluents industriels. De plus, des cultures pures et mixtes peuvent être utilisées comme inoculum, ces dernières étant très attrayantes car conduisent à des systèmes plus robustes. Toutefois, des bactéries productrices et consommatrices d'H2 coexistent dans ces systèmes, de sorte que l'inoculum mixte nécessite d'être pré-traité pour inhiber l'activité des micro-organismes consommateurs d'H2. Les paramètres opérationnels tels que le pH et la température jouent également un rôle clé dans la sélection de la communauté bactérienne productrice de H2. Jusqu'à présent, de grands efforts ont été faits pour optimiser les paramètres de prétraitement et opérationnels, mais seulement peu de leviers sont disponibles pour maintenir la stabilité des bioréacteurs (pH, température, TSH). Dans ce contexte, l'électrofermentation (EF) est proposée comme un nouvel outil de contrôle des bioprocédés par le biais d'électrodes polarisées. Selon le potentiel appliqué, l'EF peut se réaliser au niveau de l'anode ou de la cathode, agissant respectivement comme dissipateur d'électrons ou comme source d'énergie supplémentaire. Des densités de courant élevées ne sont pas nécessaires pour avoir un impact significatif sur le métabolisme cellulaire car le courant électrique n'est pas la principale source d'électrons, ni le produit d'intérêt. Les mécanismes d'action derrière l'EF restent encore inconnus, mais les interactions microbiennes entre les bactéries fermentaires et électroactives peuvent en être la clé. Ainsi, l'objectif de cette thèse est : "Meilleure compréhension des mécanismes EF par la caractérisation des interactions microbiennes inter-espèces ainsi que des interactions avec l'électrode polarisée". Nos principaux résultats montrent que des électrodes polarisées permettent de sélectionner les bactéries productrices de H2, en particulier des entérobactéries et des clostridies. Cette sélection a conduit à une augmentation significative de la production de H2 et de butyrate, au détriment de la production de lactate. Toutefois lorsque différents inocula sont utilisés, 3 comportements différents sont observés : une augmentation, une diminution ou aucun effet sur la production de H2, par rapport à une fermentation conventionnelle. Ceci montre que la composition de la communauté microbienne de l'inoculum, et en particulier l'abondance relative de la famille des Clostridiaceae, affecte significativement le comportement de l'EF, c'est-à-dire la communauté microbienne finale et les voies métaboliques. Enfin, afin d'étudier le processus d'interaction, un inoculum mixte enrichi en G. sulfurreducens (bactéries électroactives connues) a été étudié. Un changement dans les voies métaboliques vers une production plus élevée de H2 et de butyrate a alors été observé, au détriment de la production de 2,3-butanediol. Ce changement a été associé à une augmentation de l'abondance relative de la famille des Clostridiaceae à la fin de la fermentation, probablement en raison d'une croissance coopérative que G. sulfurreducens avec les membres de la famille des Clostridiaceae. Globalement, et même si les mécanismes d'interactions microbiennes restent non élucidés, le procédé EF a montré un certain potentiel en tant que nouveau moyen de contrôle de bioprocédés opérés en cultures mixtes.

English. Dark fermentation (DF) is a biological process used to produce hydrogen (H2). In this process a wide variety of substrates could be used including simple substrates such as glucose or more complex substrates such as industrial wastewaters and waste. Mixed cultures can be used as inoculum that are more robust than pure cultures. However, H2 producers and consumers can coexist in such mixed cultures, so that they often have to be pre-treated to inhibit H2-consumers. Moreover, operational parameters such as pH and temperature play a key role in the selection of H2-producing bacterial community. Up to date, great efforts have been made to optimise the operational parameters, but only few controllers are available to maintain the DF process stable. In this context, an electro-fermentation (EF) process is proposed as a new tool to control bioprocesses through polarised electrodes. Depending on the applied potential, EF can occur at the anode or cathode, acting either as electron sink or additional source of energy, respectively. High current densities are not necessary to have a significant impact on cell metabolism since the electrical current is not the main electrons source, nor the product of interest. The mechanisms behind EF are still unknown, but microbial interactions between fermentative and electroactive bacteria may be the key factor of the process. The objective of this thesis was: "Better understanding of the EF mechanisms through the characterization of microbial interspecies-interactions as well as interactions with the polarized electrode". Our results show that the presence of polarized electrodes led to the selection of H2-producing bacteria, and more particularly from Enterobacteriaceae and Clostridiaceae families. Such microbial selection was concomitant with a significant increase in H2 and butyrate production, at the expense of lactate production. However, when different inoculum were used, different behaviours were observed with an increase, a decreased or no effect on H2 production. This observation evidences that the inoculum microbial community composition, and more particularly the relative abundance of the Clostridiaceae family, can significantly affect the microbial community behaviour in EF, i.e. microbial community trajectories and the related metabolic patterns. Finally, the microbial interactions were further investigated with a mixed inoculum enriched in G. sulfurreducens, as well-known electroactive bacteria. Here, a substantial change in the metabolic pathways towards higher H2 and butyrate production was observed, at the expense of 2,3-butanediol production. This change was associated with an increase in relative abundance of the Clostridiaceae family at the end of fermentation, probably due to a cooperative growth that G. sulfurreducens occurring with the members of the Clostridiaceae family. Overall, although the mechanisms behind the microbial interactions are not yet well know, the EF process showed a great potential as a new type of control for mixed-culture bioprocesses with significant effects of the polarized electrodes on glucose fermentation.