Lignin degradation by microbial consortia from termite : Enrichment and characterization of bacterial communities by (bio-)chemical and metagenomics approaches | Dégradation de la lignine par des consortia microbiens issus de termites : Enrichissement et caractérisation des communautés bactériennes par des approches (bio-)chimiques et métagénomiques

English. Based on the petrochemical refinery model, biorefinery are to represent a paradigm shift in resource usage with a call back to lignocellulosic biomass instead of fossil carbon sources. However, lignocellulose transformation is challenging. The case of lignin, an aromatic polymer, is especially tricky. On the one hand its valorization presents a high potential but on the other hand the difficulty to achieve its deconstruction limits the applications.However, there is in Nature a multitude of organisms for which lignocellulosic biomass constitute the main diet. It is most notably the case for phytophagous insects such as termites whose endosymbiotic microbial communities are able to transform lignocellulose into acetate which is used by the host for energy. However, our knowledge of lignin degradation by termites is still sparse if not contradictory. In this PhD project, we thus aims to study microbial consortia from termite and their potential implication in delignification of biomass.Within the BBI (Bio-Based Industries) joint undertaking under the ZELCOR (“Zero Waste Ligno-Cellulosic Biorefineries by Integrated Lignin Valorisation”) framework, we have tried various substrates and conditions to enrich a lignolytic consortium in batch which we then implemented in bioreactors. So that we could investigate the potential of termite-derived microbial consortia for lignin valorization, we coupled structural characterization of the substrates by acid hydrolysis, 2D HSQC NMR and 13C-IS py-GC-MS with the characterization of the microbial communities by « shotgun » metagenomics.Thanks to this coupled approach, we could demonstrate the lignolytic potential of termite derived microbial consortia in both aerobic and anaerobic conditions. This also allowed us to enrich and characterize a lignocellulolytic consortium. Metagenomics approaches resulted in the reconstruction of numerous MAGs which enabled the identification of both bacteria and enzymes of biotechnological interest. Furthermore, we were able to decipher some aspects of the communities functioning by highlighting the importance of synergistic interactions between MAGs to convert lignocellulose into energy.

French. Construite sur le modèle de la raffinerie pétrochimique, la bioraffinerie doit représenter un changement de paradigme dans l’utilisation des ressources, un retour à l’utilisation de la biomasse lignocellulosique, renouvelable, plutôt que des sources de carbone fossiles. Cependant, la transformation de la lignocellulose représente un enjeu de taille. En particulier, la valorisation de la lignine, polymère aromatique, présente un fort potentiel mais reste un point d’achoppement important en raison de la difficulté de sa déconstruction.La nature regorge pourtant d’organismes pour lesquels la biomasse lignocellulosique est à la base du régime alimentaire. C’est notamment le cas des insectes xylophages comme les termites dont les communautés microbiennes endosymbiotiques sont capable de convertir la lignocellulose en acétate utilisé par l’hôte comme source d’énergie. En revanche, notre connaissance actuelle de la dégradation de la lignine par des communautés microbiennes issues de termites reste insuffisante. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, d’étudier des consortia microbiens issus de termite et leur implication potentielle dans la délignification.Dans le cadre du projet européen ZELCOR (“Zero Waste Ligno-Cellulosic Biorefineries by Integrated Lignin Valorisation”) fondé par le partenariat public-privé BBI (Bio-Based Industries), nous avons procédé à l’enrichissement en batchs successifs de consortia microbiens sur différents substrats et dans différentes conditions afin d’obtenir un consortium capable de dégrader la lignine puis l’avons cultivé en bioréacteurs. Afin de montrer le potentiel de consortia microbiens issus de termite pour la valorisation de la lignine, nous avons couplé la caractérisation structurelle des substrats utilisés au cours de la digestion par hydrolyse acide, 2D HSQC NMR et 13C-IS py-GC-MS à la caractérisation des communautés microbiennes par métagénomique « shotgun ».Cette approche couplée nous a permis de démontrer le potentiel lignolytique, aussi bien en milieu anaéobie qu’aérobie de communautés microbiennes issues de termites. Nous avons également pu enrichir et étudier un consortium lignocellulolytique. Grâce à la reconstruction de MAGs, nous avons pu identifier des bactéries et enzymes d’intérêt biotechnologique. Par ailleurs, cela nous a également permis d’élucider le fonctionnement de ces consortia en montrant l’importance des interactions synergiques entre MAGs pour la transformation de la lignocellulose en énergie.