Etude du potentiel des systèmes bioélectrochimiques microbiens pour la fixation de l'azote - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Study of the potential of microbial bioelectrochemistery for nitrogen fixation

Etude du potentiel des systèmes bioélectrochimiques microbiens pour la fixation de l'azote

Résumé

Nitrogen is an essential element for life and plays a crucial role in plant growth. In modern agriculture, this element is primarily supplied through nitrogen fertilizers. The production of these fertilizers relies mainly on the industrial Haber-Bosch process, which produces ammonia (NH3). However, this process is very energy-intensive and is responsible for significant greenhouse gas emissions. Therefore, it is desirable to explore more environmentally-friendly methods for ammonia production, such as electrochemical processes for N2 reduction. These processes, however, require the use of expensive, non-renewable, and inefficient catalysts for N2 reduction under ambient conditions. In nature, the same reaction is catalyzed by diazotrophic bacteria, responsible for the phenomenon of biological nitrogen fixation at room temperature. In my doctoral research, I focused on the possibility of interfacing these nitrogen-fixing bacteria with electrodes for the production of a usable form of nitrogen (NH4+).I first studied cultures of Geobacter sulfurreducens on anodes in the presence or absence of assimilable nitrogen. These initial experiments revealed that the current densities obtained on these bioanodes were not affected in the absence of assimilable nitrogen. However, the growth of G. sulfurreducens was less significant in this condition. The observed production of NH4+ was very low and likely related to cell lysis. In these initial experiments, direct N2 fixation could not be demonstrated, but it probably explains the microbial growth observed when N2 was the sole source of nitrogen on the bioanodes.I then studied and compared the nitrogen fixation performance in enrichments on biocathodes and in bottle enrichments with H2 + CO2. I simultaneously employed the acetylene reduction assay (ARA) method to directly measure nitrogen fixation. These experiments demonstrated that the biocathodic systems were more effective than bottle cultures on H2 + CO2 for the development of a complex N2-fixing community. I also showed that the fixed N2 was mainly found in microbial biomass rather than in the form of ammonium ions (NH4+). The bacteria found in these communities allowed me to make hypotheses about the interactions that promote N2 fixation and their nature. I hypothesized that the presence of a CO2-fixing bacterium producing acetate on the cathodes was a key element in N2-fixing communities on my biocathodes.In a third phase, I conducted work with pure strains to test the hypotheses formulated regarding microbial interactions within nitrogen-fixing cathodic communities. No growth was observed in pure culture on H2 + CO2, but growth was observed in a coculture of two strains (Desulforamulus ruminis and A. lipoferum). Additionally, Azospirillum lipoferum and Comamonas testosteroni were able to grow using acetate as a substrate. However, contamination during these experiments prevents me from drawing conclusive results about the supposed interactions.These results already highlight the potential of developing microbial electrochemical systems for nitrogen fixation. My work has shown that the production of diazotrophic biomass, rather than NH4+ production, could be the preferred form of fertilizer to produce in these systems. However, the rates and energy requirements of the produced biomass need improvement.
L'azote est un élément indispensable pour le vivant et joue un rôle essentiel pour la croissance des plantes. Dans l'agriculture moderne, cet élément est principalement fourni par le biais d'engrais azotés. La production de ces engrais repose principalement sur la production d'ammoniac (NH3) grâce au procédé industriel Haber-Bosch. Cependant, c'est un procédé très gourmand en énergie et qui est responsable d'importantes émissions de gaz à effet de serre. Il est donc souhaitable d'avoir recours à des procédés de production d'ammoniac moins couteux pour l'environnement tels que les procédés électrochimiques de réduction du N2. Ces procédés nécessitent cependant l'utilisation de catalyseurs couteux, non renouvelables et peu efficaces pour la réduction de N2 dans des conditions ambiantes. Or, dans la nature, cette même réaction est catalysée par des bactéries dites diazotrophes qui sont responsables du phénomène de fixation biologique de N2 à température ambiante. Dans mon travail de thèse, je me suis intéressé à la possibilité d'interfacer ces bactéries fixatrices d'azote avec des électrodes pour la production d'une forme d'azote utilisable (NH4+). J'ai d'abord étudié des cultures de Geobacter sulfurreducens sur des anodes en présence ou absence d'azote assimilable. Ces premières expériences ont permis de mettre en évidence que les densités de courant obtenues pour ces bioanodes n'étaient pas altérées en absence d'azote assimilable. La croissance de G. sulfurreducens était en revanche moins importante dans cette condition. La production de NH4+ observée était très faible et probablement reliée à de la lyse cellulaire. Dans ces premières expériences, la fixation du N2 n'a pas pu être démontrée de manière directe, mais elle explique probablement la croissance microbienne observée avec N2 comme seule source d'azote sur les bioanodes.J'ai ensuite étudié et comparé les performances de fixation de N2 dans des enrichissements sur biocathodes et dans des enrichissements en bouteilles avec H2 + CO2. J'ai déployé en parallèle la méthode de mesure de l'activité réductrice d'acétylène (ARA) pour avoir une mesure directe de la fixation de l'azote. Ces expériences m'ont permis de démontrer que les systèmes biocathodiques étaient plus efficaces que les cultures en bouteilles sur H2 + CO2 pour le développement d'une communauté complexe fixatrice de N2. J'ai également montré que le N2 fixé était principalement retrouvé dans la biomasse microbienne plutôt que sous forme des ions ammonium (NH4+). Les bactéries retrouvées dans les communautés m'ont permis de faire des hypothèses sur les interactions qui favorisent la fixation de N2 et sur la nature de celles-ci. J'ai notamment fait l'hypothèse que la présence d'une bactérie fixatrice de CO2 produisant de l'acétate sur les cathodes était un élément clé des communautés fixatrices de N2 sur mes biocathodes.Dans un troisième temps, j'ai réalisé des travaux en souches pures pour tester les hypothèses formulées sur les interactions microbiennes au sein des communautés cathodiques fixatrices de N2. Aucune croissance n'a pu être observée en culture pure sur H2 + CO2, mais une croissance a été observée en coculture de deux souches (Desulforamulus ruminis et Azospirillum lipoferum). Par ailleurs, A. lipoferum et Comamonas testosteroni ont été capables de croitre en utilisant l'acétate comme substrat. Cependant, des contaminations lors de ces expériences m'empêchent de conclure sur les interactions supposées.Ces résultats, permettent d'ores et déjà d'évaluer l'intérêt de développer les systèmes électrochimiques microbiens pour la fixation de l'azote. Ces travaux m'ont permis de mettre en évidence que la production de biomasse diazotrophe plutôt que la production de NH4+, pourrait être la forme d'engrais à produire de façon privilégiée dans ces systèmes. En revanche, les vitesses et demandes en énergie de la biomasse produite restent à améliorer.
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Dates et versions

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  • HAL Id : tel-04537060 , version 1

Citer

Axel Rous. Etude du potentiel des systèmes bioélectrochimiques microbiens pour la fixation de l'azote. Biologie cellulaire. Montpellier SupAgro, 2023. Français. ⟨NNT : 2023NSAM0041⟩. ⟨tel-04537060⟩
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