Aix Marseille Université Ecole Doctorale des Sciences de la Vie et de la Santé THESE Pour l’obtention du grade de Docteur d’Aix Marseille Université en Microbiologie Thèse présentée et soutenue par Nicolas CHABERT Le 21 décembre 2017 Sous la direction de Dr. ACHOUAK Wafa (Directrice de recherche, UMR 7265 CNRS-CEA-AMU) Conception de biocathode et implication du fer dans de nouveaux modes de transfert d’électrons Rapporteurs Dr. BERGEL Alain (Directeur de recherche, CNRS) Dr. BOUSSERRHINE Noureddine (Maitre de conférence, UPEC) Examinateurs Dr. LOJOU Elisabeth (Directeur de recherche, CNRS) Dr. HAICHAR Feteh-El-Zahar (Maitre de conférence, Université de Lyon 1) Pr. CUNY Philippe (Professeur, Aix Marseille Université) Invités Dr. BONNEFOY Violaine (Directeur de recherche, CNRS) Dr. ROSE Jérôme (Directeur de recherche, CNRS) Résumé : Les piles à combustible microbiennes (PCMs) sont une technologie convertissant l’énergie chimique stockée dans la matière organique en énergie électrique à l’anode à l’aide de bactéries dites électroactives. Actuellement, les performances sont limitées par l’utilisation de cathodes abiotiques. L’intérêt porté aux cathodes biologiques est récent et ces dernières sont encore peu étudiées. Les objectifs de ces recherches ont donc été d’identifier et de décrire des bactéries ainsi que les mécanismes permettant de catalyser une réduction cathodique notamment celle de l’oxygène. La première partie des travaux portant sur la réalisation d’un criblage pour la formation de biocathodes a révélé l’inefficacité du métabolisme hétérotrophe pour la conception de biocathodes performantes. De ce fait, la suite des travaux a porté sur la bactérie chimiolithoautotrophe acidophile Acidithiobacillus ferrooxidans. Deux mécanismes de transfert d’électrons dépendant du fer ont été mis en évidence générant un courant maximal de -3,8 A.m-2. Nous avons également abordé les mécanismes de transfert d’électrons en milieu neutre chez une bactérie hétérotrophe, Pseudomonas brassicacearum NFM421 bien que peu performante en terme de production de courant. Cette dernière permet une catalyse indirecte de la réduction de l’oxygène à la cathode à pH neutre via un métabolite secondaire le 2,4-diacéthylphloroglucinol associé au fer, mettant encore une fois en lumière l’importance du fer dans le transfert d’électrons. Ce travail a également porté sur la potentielle application des biopiles dans des environnements anthropisés en vue de l’extraction de métaux et plus particulièrement de terre rares qui s’avèrent être une voie de recherche prometteuse. Mots-clés : Biocathode ; Fer ; Acidithiobacillus ferrooxidans ; Pseudomonas brassicacearum ; DAPG ; extraction de métaux Abstract : Microbial fuel cells (MFCs) are devices that convert chemical energy contained in organic matter into electrical energy using electroactive bacteria that act at the anode. Currently, MFCs performances are limited by the use of abiotic cathode. The interest in biological cathode has recently started and less is known about bacterial diversity and mechanism that catalyze cathodic reduction. The aims of the research work are therefor to identify and describe potential bacteria and mechanism involved in such catalysis. The first part of the work is the realization of a screening that did not show conclusive results and might indicate that heterotrophic metabolism was not an efficient choice. Next, Acidithiobacillus ferrooxidans had been used and shown two extracellular electron transfer mechanism depending on iron. A maximum current intensity of -3,8 A.m-2 had been reached. To be close to operational condition of MFC, Pseudomonas brassicacearum NFM 421 has also be use and shown capacity to indirectly catalyze the oxygen reduction at a neutral pH using the 2,4-diacethylphloroglucinol, a secondary metabolite, associated to iron. However, current reach remained weak. Considering difficulty to build efficiant biocathode at a neutral pH, the end of this work had been focused on a new application of the MFC: metal and rare earth extraction from soil and contaminated site that appeared to be a great research opportunity to follow. Key-words : Biocathode; Iron; Acidithiobacillus ferrooxidans; Pseudomonas brassicacearum; DAPG, metals extraction 3 4 Remerciements C’est en écrivant ces quelques lignes que je me rends compte que l’aventure touche à sa fin… Mais ce fût une belle aventure ! Tout d’abord, j’aimerais remercier Wafa Achouak. Un grand merci pour m’avoir accueilli dans le laboratoire, m’avoir permis de réaliser cette thèse et pour la confiance que tu as eue en moi dans la réalisation de ce projet. Merci aussi pour ces petits voyages qui ont ponctué ces trois années. Merci également d’avoir rendu cette thèse aussi agréable et désolé d’avoir été aussi stressant ces derniers mois… bref merci pour tout ! J’en profite également pour remercier tout le personnel du LEMiRE. Un grand Merci à Sylvain Fochesato et Marie Bertrand pour votre soutien et votre aide. Philippe Ortet et Mohamed Barakat, merci beaucoup pour votre travail, que je n’ai pas toujours complètement compris mais qui m’a toujours beaucoup servi. Catherine Santaella, merci pour ton aide en chimie. Merci aussi d’avoir bien voulu partager ton café avec moi quand c’était la crise locale du café. Merci aussi à Gilles pour les (très) longues discussions du café matinal. Thierry Heulin, merci de m’avoir accueilli dans ton institut avant que celui- ci ne passe dans d’autres mains… Et merci de croire en moi pour le futur. Je souhaiterais aussi remercier toutes les Post-doctorantes pour l’ensemble de leurs œuvres, pour les fous rires et les moments de pause scientifique ! Blanche Collin, merci de m’avoir initié au bio, je ne suis toujours pas convaincu et surtout, merci de ne pas m’avoir rendu intolérant au gluten car tu en as fait des victimes ! Wei Liu, la fin fut intense mais je te promets, on découvrira les secrets de la pyramide. Merci de t’être investie dans les travaux avec moi à la fin, ce n’était pas la meilleure période mais on aura réussi à faire quelque chose de bien sur une petite période ! Merci Agnès Roux et Oulfat Amin Ali. Merci d’avoir vécu cette thèse de l’intérieur et de vous être autant impliquées pour moi. Vous avez grandement contribué à la réussite de celle-ci et vraiment, je ne pourrais jamais assez vous remercier pour ça. Je remercie également Catherine Berthomieu du LIPM pour s’être grandement investie dans une partie de ce travail et aussi Didier Marcelin à qui j’ai pris un temps fou… Merci également à Bernard Angeletti du CEREGE pour le temps passé à doser le presque ensemble du tableau périodique des éléments sur mes échantillons. Je tiens à remercier aussi Andréa Campos du CP2M pour la microscopie, ta grande pédagogie et de 5 t’intéresser de près à notre travail. Je souhaiterais également à remercier Violaine Bonnefoy du LCB. Tout d’abord merci d’avoir répondu présente à chaque fois que nous t’avons sollicitée, merci de nous avoir fait bénéficier de ton expertise sur « Acidithio » et enfin, merci vraiment pour ta gentillesse. Mes remerciements les plus sincères vont également à l’ensemble du consortium BioElec. Merci pour les partages, vos accueils respectifs lors des différentes réunions et pour votre sympathie. Ce fût un plaisir de travailler avec vous ! Je tiens aussi à adresser mes plus sincères remerciements à Noureddine Bousserrhine et à Alain Bergel d’avoir accepté d’être rapporteurs pour cette thèse. Mes remerciements vont également à Elisabeth Lojou, Zahar Haichar et Philippe Cuny pour avoir accepter d’évaluer cette thèse lors de la soutenance. Merci également à Jérôme Rose et, encore une fois, Violaine Bonnefoy d’avoir accepté l’invitation pour assister à la soutenance. Enfin, merci à tous mes proches pour m’avoir soutenu et d’avoir supporté mon humeur massacrante ces derniers mois… C’était pour la bonne cause ! Sincèrement, merci à vous tous d’avoir participé de près ou de loin à cette thèse. Je n’en serai pas là sans vous ! 6 Sommaire LISTE DES ABBREVIATIONS 11 CONTEXTE GENERAL 13 CHAPITRE I INTRODUCTION BIBLIOGRAPHIQUE 19 1. LES PILES A COMBUSTIBLES MICROBIENNES 21 1.1. PRINCIPE GENERAL DE LA PILE A COMBUSTIBLE MICROBIENNE 21 1.1.1. Historique 21 1.1.2. Fonctionnement d’une pile à combustible microbienne 21 1.2. BIOFILMS BACTERIENS 22 1.2.1. Notions de biofilm 22 1.2.2. Formation d’un biofilm 23 1.2.3. Quorum-sensing 25 1.3. BIOFILMS ELECTROACTIFS ET TRANSFERT D’ELECTRONS 27 1.4. CARACTERISATION D’UN BIOFILM ELECTROACTIF 28 2. LES BIOANODES 31 2.1. TRANSFERT EXTRACELLULAIRE D’ELECTRONS A L’ANODE 31 2.1.1. Transfert indirect d’électrons 31 2.1.2. Transfert direct d’électrons 34 2.1.3. Composition des biofilms électroactifs anodiques 36 3. LES BIOCATHODES 36 3.1. PRINCIPE GENERAL 37 3.2. DIVERSITE BACTERIENNE CATALYSANT LA REACTION DE REDUCTION A LA BIOCATHODE 38 3.3. LES TRANSFERTS EXTRACELLULAIRES D’ELECTRONS A LA CATHODE 39 4. INTERACTION BACTERIES-METAUX 44 4.1. GENERALITE 44 4.2. CYCLE BIOGEOCHIMIqUE DU FER 46 4.3. ACQUISITION DU FER 47 4.4. METABOLISME ENERGETIqUE DU FER 48 4.4.1. La réduction du fer ferrique 49 4.4.2. L’oxydation du fer ferreux 50 4.4.2.1. Les bactéries ferro-oxydantes neutrophiles 50 4.4.2.2. Les bactéries ferro-oxydantes acidophiles 53 4.5. CAPACITE ELECTROACTIVE DES BACTERIES FERRO-OXYDANTES 54 5. LES APPLICATIONS POTENTIELLES DES PCMS 55 7 5.1. ALIMENTATION ELECTRIqUE EN ZONE DEPOURVUE DE RESEAU ELECTRIqUE 55 5.2. BIOREMEDIATION 57 5.3. ELECTROSYNTHESE DE MOLECULES A HAUTE VALEUR AJOUTEE 58 5.4. BIOSENSEURS 59 5.5. DESALINISATION 60 5.6. ELECTROSYNTHESE DE NANOPARTICULES 61 6. CONCLUSION 62 7. OBJECTIFS DE TRAVAIL 62 8. REVUE BILIOGRAPHIQUE 63 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE: ALL ECOSYSTEMS POTENTIALLY HOST ELECTROGENIC BACTERIA 65 CHAPITRE II: RESULTATS PRELIMINAIRES : CRIBLAGE DE SOUCHES ET CONSORTIA HETEROTROPHES.