Description du sujet de thèse

Les bactéries sont très utilisées dans les technologies de l'environnement. Dans le cadre du traitement des eaux usées, par exemple, le procédé de traitement de la pollution organique soluble le plus répandu est le procédé « boue activée ». Ce procédé consiste à mettre en présence l'eau usée à traiter avec un écosystème microbien aérobie sélectionné. Ce procédé, couplé à un traitement des matières azotées conventionnel en deux étapes – nitrification et dénitrification - offre des rendements de dépollution tout à fait acceptables. Toutefois, la dépense énergétique liée à l'aération de ces bassins biologiques est excessive et représente environ la moitié de la dépense énergétique globale d'une station d'épuration, à laquelle s'ajoute l'amendement en substrat carboné organique pour l'étape de la dénitrification. Les préoccupations de plus en plus pressantes concernant la préservation de l'Environnement, la disparition des énergies fossiles et le réchauffement climatique encouragent au développement de technologies nouvelles plus efficaces et moins énergivores. Parmi les améliorations possibles des procédés de traitement des eaux usées, les procédés anaérobies présentent des avantages considérables. Ces procédés qui se déroulent en l'absence totale d'oxygène, ne nécessitent pas d'aération – ce qui diminue considérablement la facture énergétique du traitement – et convertissent une partie de la matière organique en biogaz directement valorisables comme vecteurs énergétiques (H2 ou CH4). Le procédé de digestion anaérobie – pour la remédiation des molécules organiques – peut être associé à un procédé de nitritation partielle suivie de l'oxydation anaérobie de l'ammonium (anammox) qui diminue les couts d'aération de 60% et d'ajout de carbone organique de 100% par rapport à un traitement de l'azote conventionnel. En effet, ce dernier ne fait appel qu'à des bactéries autotrophes - ce qui signifie qu'elles utilisent le CO2 comme source de carbone (en lieu et place du carbone organique) – et la nitritation partielle se déroule en présence limitée d'oxygène. Ce procédé présente donc de multiples avantages ; il consomme peu d'énergie, il permet de fixer tout ou partie du CO2 produit lors de l'étape de traitement du carbone organique; enfin, il produit très peu de boues à cause de la croissance très lente des bactéries anammox (Lackner et al, 2013).
En effet, les bactéries de type Anammox (pour anaerobic ammonium oxidation), initialement découvertes dans une station de traitement des eaux aux Pays-Bas (1995), sont tout à fait uniques. En dépit de leur grand intérêt économique du fait de leur utilisation dans des stations de traitement des eaux usées, ces bactéries et leur métabolisme sont très peu connues (Kartal et al 2013). Notamment le lien entre le métabolisme des composées azotées, la formation de l'ATP et la fixation du CO2 pour la croissance/production de biomasse reste incompris. L'objectif de la thèse est donc d'associer des approches métaboliques et moléculaires pour mieux comprendre le fonctionnement de ces micro-organismes. En particulier il s'agit de caractériser une enzyme membranaire au carrefour du métabolisme de l'azote, de la fixation du CO2 et de la conversion de l'énergie pour la formation de l'ATP. Cette enzyme, le complexe Rieske/cytb est, fait unique parmi des enzymes de cette famille, pourvu de sous-unités supplémentaires qui lui permettent d'interagir avec le NADPH et des produits azotés. Il sera purifié et examiné par des techniques de biochimie, d'électrochimie et de spectroscopie (Bergdoll et al. 2016).
Une des originalités de ce projet réside dans l'utilisation de la microcalorimétrie couplée à la chromatographie haute pression pour l'étude du métabolisme (Tafoukt et al, 2017). En effet, la calorimétrie permet de déterminer l'enthalpie reliée au métabolisme et à la croissance de ces bactéries et d'avoir ainsi un aperçu global de flux métabolique associé à la conversion des molécules azotées et/ou carbonées. L'enthalpie mesurée peut ainsi être comparée à celle calculée à partir des approches de biochimie et biophysiques pour la détermination des voies réactionnelles (Wang et al., 2020). Il sera alors important de vérifier que le signal calorimétrique peut être interprété comme signature de l'enzyme identifiée comme clé dans ce type de métabolisme.
Une fois une signature calorimétrique spécifique des bactéries anammox établie, la richesse de leur métabolisme peut être adressé et l'impact des nutriments autres que l'ammonium, le nitrite et le CO2 étudié. Un changement du profil d'expression des complexes Rieske/cytb en réponse à ces régimes différents donnera des informations supplémentaires sur l'implication de cet enzyme dans le métabolisme.
Les résultats de ces travaux interdisciplinaires devraient éclairer notre compréhension de ce métabolisme particulier au niveau des flux globaux et de l'impact de différents substrats carbonés et du rôle que jouent les complexes Rieske/cytb comme potentiel noeud métabolique. Plus largement, ces travaux devraient permettre le pilotage de procédés de traitement des eaux usées au cours desquels les bactéries sont exposées à différentes sortes de nutriments.
Références:
Bergdoll L, ten Brink F, Nitschke W, Picot D and Baymann F (2016) From low- to high-potential bioenergetic chains: thermodynamic constraints on Q-cycle function. Biochim.Biophys.Acta Bioenergetics 1857, 1569-1579.
Kartal B, De Almeida NM, Maalcke WJ, Op den Camp HJM, Keltjens JT (2013) How to make a living from anaerobic ammonium oxidation. FEMS Microbiol Rev 37, 428-461.
Tafoukt D, Soric A, Sigoillot JC, Ferrasse JH (2017) Determination of kinetics and heat of hydrolysis for non-homogenous substrate by isothermal calorimetry, Bioproc and Biosys Eng, 40(4), 643-650.
Wang Y, Wang G. Moitessier N, Mittermaier AK (2020) Enzyme Kinetics by Isothermal Titration Calorimetry: Allostery, Inhibition, and Dynamics. Front. Mol. Biosci. , Sec. Biological Modeling and Simulation, Volume 7.
Lackner S, Gilbert EM, Vlaeminck SE, Joss A, Horn H, van Loosdrecht MCM (2014), Full-scale partial nitritation/anammox experiencese - An application survey, Water research 5 5, 2 9 2 -3 0 3.

Contexte de travail

Pour mener à bien ce projet le doctorant / la doctorante peut compter sur la production de biomasse de la bactérie anammox Candidatus Kuenenia stuttgartiensis dans une culture planctonique en chemostat à plus de 95% enrichi située à la plateforme de fermentation de l'IMM à Marseille. Le projet se déroulera Dans les labratoires du M2P2 et du BIP :
L'équipe traitement des Eaux et des Déchets du M2P2 sous la direction d'Audry Soric est une équipe de génie des procédés travaillant dans le dimensionnement des procédés liés à l'épuration des eaux usées, dont les bioprocédés. Ainsi l'équipe a développé des compétences fortes dans l'étude des mécanismes de transferts gaz-liquide et des cinétiques liées à la dégradation des charges organiques. Pour l'étude des cinétiques, elle souhaite s'appuyer sur le développement de la calorimétrie, domaine dans lequel Jean-Henry Ferrasse est spécialiste, en plus des techniques conventionnelles.
Le BIP est un laboratoire interdisciplinaire associant physiciens, chimistes et biologistes pour décrypter le métabolisme y compris énergétique de divers systèmes bactériens. Deux équipes sont impliquées dans le projet, spécialistes l'une dans le décryptage des voies métaboliques et la purification des protéines complexes sous la direction de Marie-Thérèse Giudici-Orticoni et l'autre dans l'évolution et la thermodynamique du système bioénergétique. La purification et la caractérisation du complexe Rieske/cytb, enzyme pour laquelle Frauke Baymann est experte, sera mené dans ce laboratoire.
le doctorant / la doctorante bénéficiera des actions mises en place dans le cadre du PhD programme PLINIUS (https://pliniuscursus.univ-amu.fr/) et sera inscrit/e dans les deux écoles doctorales ED 353 (Sciences pour l'Ingénieur/Génie des Procédés) et ED 62 (Sciences de la vie).

Contraintes et risques

Les travaux de cette thèse se dérouleront sur deux sites i.e. sur le campus de l'Arbois pour le laboratoire M2P2 et sur le campus Joseph Aiguier pour le laboratoire BIP. Les deux sites sont reliés par des transports en commun et la thèse se déroulera par alternance de tranches de huit mois sur chaque site.
Le financement du salaire et de l'environnement de la thèse sont acquis dans le cadre d'un projet interdisciplinaire PRIME financé par le CNRS.