devant le jury composé de :
– Alain BERGEL, Directeur de Recherche, LGC, Université de Toulouse – Rapporteur,
– Maxime PONTIÉ, Professeur, Université d’Angers – Rapporteur,
– Christian SIATKA, Directeur Général, Ecole de l’ADN – Examinateur,
– Nicolas BERNET, Directeur de Recherche, LBE – Examinateur,
– Laurence SOUSSAN, Maitre de Conférence HDR, ENSCM – Directrice de thèse
Résumé :
De précédents travaux conduits à l’IEM ont permis d’identifier une souche bactérienne capable de réduire le CO2 en formiate en réacteur fermé dans un milieu de réaction minéral. Ce nouveau procédé de réduction du CO2 est particulièrement attractif car la réaction a lieu en conditions physiologiques et ne nécessite pas d’apport externe en énergie (de type photons, dihydrogène ou cofacteurs). Ces travaux sont aussi parvenus à intensifier les performances de réaction par un facteur 35 en implémentant la souche dans un réacteur à flux continu de CO2 assisté par électrolyse (cellule d’électrolyse microbienne ou bio-électrolyseur). De nombreux paramètres restaient toutefois à élucider ou à optimiser.
Dans ce travail de thèse, des séquençages et analyses génétiques de la souche ont d’abord cherché à identifier le système enzymatique intracellulaire catalysant la réduction du CO2. Mais celui-ci ne semble pas être décrit dans la littérature et des analyses transcriptomiques complémentaires seront nécessaires par la suite. Dans ce cadre, un protocole d’extraction et purification de l’ARNm a été mis au point.
Puis, une étude multiparamétrique en réacteur fermé a permis de mettre en évidence des paramètres opératoires influençant l’activité CO2-réductrice de la souche, notamment son âge, ses conditions de culture et de conservation, sa concentration initiale, la composition du milieu de réaction, et la présence d’une autre souche dans le milieu de réaction. Une conservation de la souche à 4°C semble être favorable au maintien de son activité. De plus, l’atteinte d’une concentration seuil de composés intracellulaires relargués dans le milieu de réaction après la lyse d’une partie des bactéries paraît être nécessaire pour déclencher la réaction de réduction ; certains de ces composés pouvant servir de donneurs de protons et d’électrons. Enfin, la bactérie réduisant le CO2 peut établir des synergies avec des bactéries de natures différentes, qui améliorent son activité catalytique.
En bio-électrolyseur, les performances du procédé étaient jusqu’alors évaluées par la mesure d’un courant de réduction dépendant du CO2. Ici, une montée en échelle du réacteur de 100 à 500 mL a été réalisée pour mettre en œuvre une méthode de dosage directe et fiable de l’abattement en CO2 aux bornes du réacteur (par GC-TCD). Par ce moyen, il a été observé un abattement près de 100 fois supérieur à celui calculé sur la base du seul courant de réduction, suggérant un mécanisme électro-fermentaire. A notre connaissance, ce résultat est le meilleur reporté à ce jour en bio-électrolyseur. Cette méthode de dosage a alors été utilisée pour étudier l’impact de plusieurs paramètres sur le flux de CO2 réduit par le procédé. Il a ainsi été démontré que la présence des électrodes a un impact très positif, confirmant la capacité de la souche à utiliser les électrons fournis par la cathode pour métaboliser le CO2. Des essais réalisés avec le biofilm seul (sans bactéries planctoniques) ont permis de montrer que l’activité catalytique y est principalement localisée. L’anode en platine a aussi pu être remplacée par une anode en graphite sans baisse de performances. Enfin, l’utilisation d’une cathode 3D (versus 2D) a permis une initiation plus rapide de la réaction.
Pour finir, il a été montré que la souche peut être co-cultivée avec une espèce méthanotrophe, réduisant ainsi de 55 % les émissions de CO2 liées à la phase de culture qui précède la réaction. La présence de cette espèce dans le milieu de réaction améliore substantiellement les performances d’abattement du CO2 en bio-électrolyseur, avec un flux de 1,85 ± 0,31 NLCO2 abattu gbiomasse sèche-1 j-1 sur au moins 33 jours. Un tel flux permet de compenser les émissions en CO2 de la phase de culture en 26 jours (soit 3 fois plus vite qu’avec la souche pure), ce qui rend positif le bilan carbone de l’ensemble du procédé.
Abstract:
Previous works carried out at IEM allowed to identify a bacterial strain able to reduce CO2 into formate in batch reactor in a mineral reaction medium. This new CO2-reduction process is particularly attractive since the reaction occurs in physiological conditions and does not require external energy inputs (such as photons, hydrogen or cofactors). These works also intensified the reaction performances by a factor 35 by implementing the strain in a reactor continuously fed by CO2 and assisted by electrolysis (microbial electrolysis cell or bio-electrolyzer). However, numerous parameters remained to be elucidated or optimized.
In this PhD work, sequencing and genetic analyzes of the strain aimed to identify the intracellular enzymatic system catalyzing CO2 reduction. Unfortunately, it did not seem to be described in the literature and further transcriptomic analyzes will be required. In this frame, a protocol for mRNA extraction and purification has been developed.
A multiparametric study in batch mode then allowed to evidence operating parameters influencing the CO2-reducing activity of the strain, including its age, its cultivation and conservation conditions, its initial concentration, the reaction medium composition, and the presence of another strain in the reaction medium. Especially, storage of the strain at 4°C appears to favor the maintaining of its activity. Besides, reaching a threshold concentration of intracellular compounds released in the reaction medium after the cell lysis of part of the bacteria seems to be required to trigger the reduction reaction; some of these compounds being potential proton and electron donors. Finally, the bacteria reducing CO2 was also shown to establish synergies with bacteria of different natures, which improves its catalytic activity.
In the bio-electrolyzer, the process performances were previously assessed by measuring a reduction current dependent on CO2. A scale-up of the reactor from 100 to 500 mL was herein carried out to implement a method for direct and reliable measurement of the CO2 removal between the reactor inlet and outlet (by GC-TCD). By this means, a CO2-removal nearly 100 times higher than the one calculated from the reduction current was measured, suggesting an electro-fermentation mechanism. To the best of our knowledge, this result is the best one reported in a bio-electrolyzer. This GC-TCD method was then used to study the impact of several parameters on the CO2-removal flow allowed by the process. It was notably demonstrated that the presence of electrodes has a very positive impact, confirming the ability of the strain to use the electrons provided by the cathode to metabolize CO2. Tests carried out with the cathodic biofilm alone (without planktonic bacteria) showed that the catalytic activity was mainly localized there. The platinum anode could also be replaced by a graphite anode without any performance loss. Finally, the use of a 3D cathode (vs a 2D one) allowed a faster initiation of the reaction.
In a last part, it was demonstrated that the strain could be grown in co-culture with a methanotrophic species, reducing by 55 % the CO2 emissions linked to the growing phase that precedes the reaction. The presence of this methanotrophic species in the reaction medium also allowed a substantial improvement of the CO2-removal performances in the bio-electrolyzer, with a flow of 1.85 ± 0.31 NLCO2 removed gdry biomass-1 d-1 over at least 33 days. Such a flow permits to compensate the emissions of the growing phase in 26 days (i.e. 3 times faster than with the pure strain), thus making positive the carbon footprint of the global process.
