Etude spatiotemporelle des biofilms électroactifs multi-espèces à l'échelle microscopique par une approche microfluidique et optique

Multi-species electroactive biofilms (EABs) are able to exchange electrons with an electrode surface. EABs are mainly used in bioelectrochemical systems (BES), where the generation of electricity is difficult to sustain over the long term. Generally, EAB electroactivity reaches a maximum (Jmax) that declines gradually after a few tens of days of BES operation. In this context, the typical use of macroelectrodes for testing the hypotheses related to the loss in the EAB electroactivity difficults the setting and control of homogeneous conditions, coupled to the singlepoint destructive analyses techniques, where the EAB spatio-temporal evolution is clearly lost. The first part of this thesis was devoted to work with stainless steel (SS) microelectrodes (∅=50µm), as to ensure more homogeneous experimental conditions at the electrode surface. Initially, the formation of salt marsh EABs on microelectrodes was standardized, where the distinctive electroactivity observed in macroelectrodes was successfully reproduced. Subsequently, four main temporal stages of biocolonization and electroactivity were thoroughly described. High viability, maximum biofilm growth rate and high extracellular polymeric substances (EPS) protein content favoured the increasing electroactivity up to Jmax. Then, the gradual decline in the electroactivity became irreversible, where biofilm growth rate decreased with dead cells accumulation and the increase of EPS polysaccharides content. In addition, a shift in the EAB microbial population occurred from Marinobacterium spp. to Desulfuromonas spp. Lastly, further studies focusing in the role of the EPS in the EAB electroactivity showed consistently high EPS protein and low EPS polysaccharides content when the electroactivity was enhanced. The second part of this thesis focused in the development of a transparent microBES (V=0.3 mL) with a SS integrated microelectrode, for the in situ real-time observation of the microelectrode/EAB and EAB/planktonic cells interfaces. The dynamics of biofilm formation were correlated with the EAB electroactivity, where the discovery of an active dense layer of planktonic bacteria in the proximities of the microelectrode/EAB interface opens new research directions in the biofilm formation and electron transfer mechanisms.Les biofilms électroactifs (EABs) multi-espèces sont capables d'échanger des électrons avec la surface d'une électrode. Les EABs sont principalement utilisés dans les systèmes bioélectrochimiques (BES), où la production d'électricité est difficile à maintenir à long terme. En général, l'électroactivité des EABs atteint un maximum (Jmax) qui diminue progressivement après quelques dizaines de jours de fonctionnement du BES. Dans ce contexte, l'utilisation typique de macroélectrodes pour tester les hypothèses liées à la perte d'électroactivité des EABs rend difficile la fixation et le contrôle de conditions homogènes, couplées à des techniques d'analyses destructives ponctuelles, où l'évolution spatio-temporelle des EABs est clairement perdue. La première partie de cette thèse a été consacrée au travail avec des microélectrodes (∅=50µm) en acier inoxydable (SS), afin d'assurer des conditions expérimentales plus homogènes à la surface de l'électrode. Dans un premier temps, la formation des EABs provenant des marais salants sur les microélectrodes a été standardisée, où l'électroactivité distinctive observée dans les macroélectrodes a été reproduite avec succès. Par la suite, quatre étapes temporelles principales de la biocolonisation et de l'électroactivité ont été détaillées. Une viabilité élevée, des taux de croissance maximaux du biofilm et une quantité importante de protéines de substances polymériques extracellulaires (EPS) ont favorisé l'augmentation de l'électroactivité jusqu'à Jmax. Ensuite, le déclin progressif de l'électroactivité est devenu irréversible, alors que la vitesse de croissance du biofilm à diminué avec l'accumulation de cellules mortes et l'augmentation de la quantité de polysaccharides d’EPS. En outre, la population microbienne des EABs a évolué de Marinobacterium spp. à Desulfuromonas spp. Enfin, d'autres études portant sur le rôle de l'EPS dans l'électroactivité des EABs ont montré une quantité constamment élevée de protéines d'EPS et une faible proportion de polysaccharides d'EPS lorsque l'électroactivité a été augmentée. La deuxième partie de cette thèse s'est focalisée sur le développement d'une microBES transparente (V=0.3 mL) avec une microélectrode intégrée en SS, pour l'observation in situ et en temps réel des interfaces microélectrode/EAB et EAB/cellules planctoniques. La dynamique de la formation du biofilm a été corrélée à l'électroactivité du EAB, où la découverte d'une couche dense active de bactéries planctoniques à proximité de l'interface microélectrode/EAB ouvre de nouvelles voies de recherche sur la formation du biofilm et les mécanismes de transfert d'électrons