Soutenance de thèse de Guillaume PILLOT

Les cheminées hydrothermales (CH) sont des édifices géochimiques abritant un écosystème extrême (T°C et pH) riche en micro- et macro-organismes se développant à partir d’un réseau trophique complexe. Une étude récente a montré la présence d’un courant électrique abiotique à travers les parois conductrices des CH, par l’oxydation d’H2S du fluide hydrothermale couplé à la réduction d’O2 de l’eau de mer à l’extérieur. Ce courant pourrait alors être utilisé comme source d’énergie par des microorganismes dit « électroactifs ». C’est dans ce contexte que nous avons développé un Système Electrochimique Microbien (SEM) permettant l’enrichissement d'électroactifs hyperthermophiles. Des échantillons de CH ont servi d’inoculum dans notre SEM, rempli d’un milieu minéral anoxique régulé à 80°C, mimant ainsi les conditions environnementales. Deux types d’expériences ont été réalisés. La première expérience visait à enrichir des microorganismes « électrotrophes », capables d’utiliser une électrode comme source d’énergie (cathode polarisée à -0.6V vs ESH) et du CO2 comme source de carbone avec l’ajout de différents accepteurs d’électrons (Nitrate, Sulfate, O2 …). La deuxième avait pour but d’enrichir des microorganismes dits « exoélectrogènes » capables d’utiliser une électrode comme accepteur d’électrons tout en produisant du courant électrique. Pour cela, l’électrode de travail du SEM fût configurée en anode et différents donneurs d’électrons organiques (acides gras, peptides, polysaccharides) furent testés. Une approche pluridisciplinaire (bioprocédé, biochimie microbienne, électrochimie, écologie moléculaire, qPCR, microscopie) a été utilisée pour permettre d’étudier l’évolution et les interactions de différents groupes taxonomiques au cours du temps. Les résultats ont montré la croissance de biofilms électroactifs (BEA) autant sur cathode que sur anode. L’enrichissement des BEA électrotrophes était corrélé à la consommation de courant électrique couplée à la réduction des accepteurs d’électrons testés conduisant à la production de molécules organiques. Les microorganismes se développant dans ces conditions étaient principalement des Archaeoglobales et des Thermococcales quel que soit l’accepteur d’électrons. D’autres espèces, plus spécifiques de l’accepteur utilisé, ont été enrichies telles que des Desulfurococcales et Thermales sur nitrate ou des Pseudomonadales et Bacillales sur oxygène. Un suivi de croissance sur nitrate a permis de mettre en évidence la succession de différentes populations au cours du temps, avec des métabolismes différents. Trois phases ont pu ainsi être mises en évidence : (i) La première était caractérisée par la croissance d’autotrophes couplée à la réduction totale de l’accepteur d’électrons ; (ii) la deuxième a consisté en une étape d’électrosynthèse de pyruvate en grande quantité ; (iii) ce pyruvate a été ensuite transformé en H2 et acétate par électro-fermentation. L’expérience sur les exoélectrogènes a montré quant à elle la production de courant électrique à partir d’acétate, de pyruvate et d’H2 par des Archaeoglobales et une relation trophique avec les Thermococcales dégradant les peptides en acétate et H2 utilisable par les Archaeoglobales. Pour conclure, cette étude a permis de mettre en évidence la présence de microorganismes électroactifs hyperthermophiles, de mieux comprendre leur implication dans les cycles biogéochimiques ainsi que dans leurs relations trophiques. Ces résultats ont également ouvert la réflexion sur le rôle hypothétique de l’électroactivité dans l’origine de la vie. D’autre part la capacité électroactive de ces microorganismes extrêmophiles, dans la production de molécules organiques à partir de courant électrique présente des potentialités intéressantes en biotechnologie.

Deep-Sea Hydrothermal vents (DSHV) are geochemical structures housing an extreme ecosystem (T°C and pH) rich in micro- and macro-organisms developing from a complex food web. A recent study has shown the presence of an abiotic electric current through the conductive walls of the DSHV, by the oxidation of H2S of the hydrothermal fluid coupled with the O2 reduction of the seawater to the outside. This current could then be used as a source of energy by so-called "electroactive" microorganisms. It is in this context that we have developed a Microbial Electrochemical System (MES) for the enrichment of hyperthermophilic electroactive microbes. DSHV samples were used as inoculum in our MES, filled with anoxic mineral medium regulated at 80 ° C, mimicking the environmental conditions. Two types of experiments were carried out. The first experiment was aimed at enriching "electrotrophic" microorganisms, able to use an electrode as a source of energy (cathode polarized at -0.6V vs ESH) and CO2 as a carbon source with the addition of different electron acceptors (Nitrate, Sulfate, O2 ...). The second was intended to enrich so-called "exoelectrogenic" microorganisms capable of using an electrode as an electron acceptor while producing electric current. For this, the working electrode of the SEM was configured as anode and various organic electron donors (fatty acids, peptides, polysaccharides) were tested. A multidisciplinary approach (bioprocess, microbial biochemistry, electrochemistry, molecular ecology, qPCR, microscopy) was used to study the evolution and interactions of different taxonomic groups over time. The results showed the growth of electroactive biofilms (EAB) on both cathode and anode. The enrichment of electrotrophic EABs correlated with the consumption of electric current and coupled with the reduction of electron acceptors tested, led to the production of organic molecules. The microorganisms developing under these conditions were mainly Archaeoglobales and Thermococcales irrespective of the electron acceptor. Other species, more specific of the electron acceptor used, have been enriched, such as Desulfurococcales and Thermales on nitrate or Pseudomonadales and Bacillales on oxygen. Nitrate growth monitoring revealed the succession of different populations over time, with different metabolisms. Three phases could thus be highlighted: (i) The first was characterized by autotrophic growth coupled with the total reduction of the electron acceptor; (ii) the second consisted of a step of electrosynthesis of pyruvate in large quantity; (iii) this pyruvate was then converted to H2 and acetate by electro-fermentation. The experiment on exoelectrogens has shown the production of electric current from acetate, pyruvate and H2 by Archaeoglobales and a trophic relationship with Thermococcales degrading peptides acetate and H2 used by Archaeoglobales. To conclude, this study has allowed to highlight the presence of hyperthermophilic electroactive microorganisms, to better understand their involvement in biogeochemical cycles as well as in their trophic relationships. These results have also opened the consideration on the hypothetical role of electroactivity in the origin of life. On the other hand, the electroactive capacity of these extremophilic microorganisms in the production of organic molecules from electric current presents interesting potentialities in biotechnology.