Sommaire - Université Paul Sabatier

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En vue de l'obtention du
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DO OC CT TO OR RA AT T D DE E L L’ ’U UN NI IV VE ER RS SI IT TÉ É D DE E T TO OU UL LO OU US SE E
Délivré par
l’Université Toulouse III – Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : Ingénieries Microbienne et Enzymatique
JURY
Rapporteurs :
Examinateurs :
Directrice de thèse :
Co-directrice de thèse :
Mme
M.
Mme
M.
M.
M.
Mme
Mme
Elisabeth LOJOU (CNRS, Marseille)
José MOURA (Université de Lisbonne)
Marie-Noëlle BELLON-FONTAINE (AgroParisTech, Paris)
Frédéric JORAND (Université de Nancy)
Mathieu BERGE (Université de Toulouse)
Alain BERGEL (CNRS, Toulouse)
Christine ROQUES (Université de Toulouse)
Marie-Line DELIA (INP de Toulouse)
Ecole doctorale : Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingénieries
Unité de recherche : LU49, Adhésion bactérienne et formation de biofilms
Laboratoire de Génie Chimique CNRS UMR 5503
Directrices de Thèse : Christine Roques et Marie-Line Délia
Présentée et soutenue par
Amandine
DE ALMEIDA
C
OURNET
Le 30 avril 2010
Titre : Etude de la catalyse microbienne de la réduction électrochimique du dioxygène

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Remerciements
Avant de rentrer dans le vif du sujet, je souhaite adresser mes remerciements à toutes les
personnes qui m’ont m’accompagnée dans ce travail de thèse et qui m’ont permis d’aboutir à
ce résultat.
Tout d’abord mes directrices de thèse, Christine Roques et Marie-Line Délia. Merci de
m’avoir donné l’opportunité de travailler sur un sujet aussi intéressant et novateur que les
bactéries électroactives en particulier dans le domaine de la santé. Merci également pour
m’avoir toujours encouragée à présenter mes travaux dans de nombreux congrès aux quatre
coins du monde. Merci pour toutes les formations : qualité, hygiène et sécurité, microscopie
électronique et autres. Enfin, je n’oublierai pas votre grande efficacité lors de la rédaction et
de la correction du présent manuscrit.
Je remercie Elisabeth Lojou et José Moura qui ont accepté d’évaluer mon travail de thèse et
d’en être les rapporteurs. Merci également aux autres membres du jury, Marie-Noëlle Bellon-
Fontaine et Frédéric Jorand, qui ont accepté de participer à l’examen de mon travail. Merci à
vous quatre pour l’intérêt que vous avez porté à cette étude et l’intéressante discussion que
nous avons eu ensemble au cours de la soutenance.
Je tiens également à remercier Alain Bergel qui a participé à l’encadrement de ces travaux.
Merci de m’avoir presque tout appris de la bioélectrochimie. Merci pour les réunions, tes
commentaires, ton encouragement, toujours très efficaces, que se soit au cours du travail de
paillasse ou de la rédaction des publications.
Un gigantesque merci à Mathieu Bergé qui a encadré et suivi ce travail au jour le jour. Merci
pour ton immense disponibilité et tout l’intérêt que tu t’es découvert pour ces bactéries qui
font de l’électricité ! Je ne te remercierai jamais assez pour tout le soutien que tu m’as apporté
pour orienter et planifier le travail, toujours dans la bonne humeur. Merci de t’être réjoui avec
moi des manips qui marchaient et de t’être scandalisé avec moi de celles qui ne marchaient
pas ! Merci aussi pour les très bons moments passés en salle de repos et pour toutes nos

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discussions allant de l’histoire d’Alexandre le Grand au dernier match de foot ou de rugby en
passant par les poussettes et autres accessoires bébé !
Merci à Joanna, ma petite sœur, et Cécile, qui ont participé à ces travaux en tant que
stagiaires.
Je tiens également à exprimer ma sincère reconnaissance à Marie-line de Solan pour le temps
qu’elle a consacré à me former à la microscopie électronique à balayage.
Un grand merci à Laurence Tellier, pour tout son soutien administratif et qualité. Merci aussi
à Mme Chamayou pour son aide comptable.
Ce travail a été réalisé au sein de l’équipe Biosym du Laboratoire de Génie Chimique et au
sein du Laboratoire de Microbiologie Industrielle. Je tiens à remercier tous mes collègues
avec qui j’ai partagé mon quotidien.
Tout d’abord les membres de l’équipe Biosym lors des premiers mois de ma thèse : Sandrine,
Claire, Maha, Nancy, Régine, Liz, Hicham, Benjamin, Luc…
Puis tous les employés de la FONDEREPHAR : Cathy, Paméla, Ingrid, Sabine, Haouaria,
Jocelyne, Cédric, Carole, Sylvie, Sandra, Delphine, Leila et Elisabeth.
Enfin, je remercie mes collègues du LabMI pour leur soutien à toute épreuve et leur amitié :
Julien et ses lacs méromictiques, Aurélie et nos nombreuses discussions parfois scientifiques,
Sophie et nos sorties à la danse, Alain pour les rigolades en salle de repos, Audrey, Christel,
Léïla et Pouneh. Merci pour toutes les joies et les déceptions partagées.
Je remercie mes parents, ma famille, mes amis qui m’ont toujours soutenue pendant ces
longues années d’étude. Merci de vous être même intéressés à mon travail !
Pour terminer, merci Rémi ! Pour m’avoir soutenue et encouragée dans mes choix. Pour avoir
lu et relu ce manuscrit. Pour ton amour inconditionnel et ta confiance en moi malgré les
moments difficiles.
Portée par vous tous j’ai pu achever ce travail de thèse. Merci !

Sommaire
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Sommaire
Introduction générale________________________________________________________7
Enjeux et objectifs______________________________________________________________ 8
Présentation du manuscrit _______________________________________________________ 9
Chapitre I : Synthèse bibliographique________________________________________11
I.1 Pseudomonas aeruginosa et biofilm ________________________________________ 12
I.1.1 Pseudomonas aeruginosa : généralités et enjeux de santé publique ______________________ 12
I.1.2 Le biofilm __________________________________________________________________ 13
I.1.2.1 Définition______________________________________________________________ 13
I.1.2.2 Formation du biofilm_____________________________________________________ 15
I.1.2.2.1 Facteurs de mobilité et d’adhérence _______________________________________ 17
I.1.2.2.2 Le quorum sensing : facteur de différenciation_______________________________ 18
I.1.3 Autres bactéries et biofilms_____________________________________________________ 21
I.2 Les bactéries électroactives_______________________________________________ 22
I.2.1 Définition, découverte et intérêt _________________________________________________ 22
I.2.2 La pile à combustible microbienne _______________________________________________ 23
I.2.3 Les environnements, les bactéries________________________________________________ 25
I.2.4 Les mécanismes _____________________________________________________________ 29
I.2.4.1 Mécanismes indirects_____________________________________________________ 29
I.2.4.2 Mécanismes directs ______________________________________________________ 30
I.2.4.2.1 Production de médiateurs _______________________________________________ 31
I.2.4.2.2 Pili conducteurs_______________________________________________________ 34
I.2.4.2.3 Contact direct avec des protéines membranaires _____________________________ 35
I.2.4.2.4 Combinaison des trois mécanismes _______________________________________ 37
I.2.5 Les bactéries à Gram positif ____________________________________________________ 38
I.2.6 Biocathodes : la catalyse de la réduction du dioxygène _______________________________ 39
I.2.6.1.1 Enjeu des biocathodes__________________________________________________ 39
I.2.6.1.2 Biocathodes utilisant le manganèse ou le fer ________________________________ 40
I.2.6.1.3 Biocathodes utilisant directement le biofilm_________________________________ 41
I.3 Détection de micro-organismes opportunistes et pathogènes ___________________ 42
I.3.1 Généralités__________________________________________________________________ 42
I.3.2 Méthodes classiques __________________________________________________________ 44
I.3.3 Biocapteurs _________________________________________________________________ 46

Sommaire
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I.3.3.1 Définition______________________________________________________________ 46
I.3.3.2 Stratégies d’immobilisation________________________________________________ 46
I.3.3.3 Transduction du signal____________________________________________________ 48
I.3.4 Capteur d’adhésion de bactéries _________________________________________________ 48
Chapitre II : Matériels et méthodes_________________________________________50
II.1 Souches bactériennes____________________________________________________ 51
II.2 Entretien et protocoles appliqués aux bactéries ______________________________ 54
II.2.1 Conservation, entretien et préparation_____________________________________________ 54
II.2.2 Electrolytes _________________________________________________________________ 54
II.2.3 Dénombrement et caractérisation des bactéries______________________________________ 54
II.2.4 Prétraitements des bactéries ____________________________________________________ 55
II.2.4.1 Fixation et inactivation des bactéries_________________________________________ 55
II.2.4.2 Filtration ______________________________________________________________ 56
II.2.4.3 Lyse __________________________________________________________________ 56
II.2.4.4 Stress oxydant __________________________________________________________ 56
II.3 Matériels et techniques électrochimiques ___________________________________ 56
II.3.1 Electrodes __________________________________________________________________ 56
II.3.2 Potentiostats ________________________________________________________________ 58
II.3.3 Voltammétrie cyclique ________________________________________________________ 58
II.3.4 Chronoampérométrie__________________________________________________________ 59
II.4 Test d’électroactivité des bactéries en voltammétrie cyclique___________________ 59
II.5 Etudes en chronoampérométrie ___________________________________________ 61
II.5.1 En bécher___________________________________________________________________ 61
II.5.2 En réacteur _________________________________________________________________ 61
II.6 Voltammétrie cyclique sur des molécules immobilisées________________________ 62
II.7 Microscopie électronique à balayage _______________________________________ 63
Chapitre III : Catalyse de la réduction du dioxygène par P. aeruginosa ____________64
III.1 Introduction ___________________________________________________________ 65
III.2 Catalyse de la réduction électrochimique du dioxygène par P. aeruginosa mesurée par
voltammétrie cyclique__________________________________________________________ 66
III.2.1 Article “Electrochemical reduction of oxygen catalyzed by Pseudomonas aeruginosa” ____ 66
III.2.2 Résultats complémentaires___________________________________________________ 84
III.3 Chronoampérométrie ___________________________________________________ 90