Ecole Doctorale

Sciences de l'Environnement

Spécialité

Sciences de l'environnement: Ecologie

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Résidus de bauxite,Piles à combustible microbiennes,Communautés microbiennes,Bacteries alcalophiles,Métaux critiques,Biotechnologie environnementale

Keywords

Bauxite residue,Microbial fuel cells,Microbial communities,Alkaliphilic bacteria,Critical raw elements,Environmental biotechnology

Titre de thèse

Bio-extraction des métaux critiques (CELEBEX)
Critical raw ELEment Bio-EXtraction (CELEBEX)

Date

Mercredi 22 Juin 2022 à 14:00

Adresse

CEREGE TECHNOPOLE ENVIRONNEMENT ARBOIS-MEDITERRANEE BP80 13545 AIX en PROVENCE, CEDEX 04, FRANCE Amphithéâtre

Jury

Directeur de these Mme Mélanie AUFFAN Centre européen de recherche et d'enseignement des géosciences de l'environnement (CEREGE, Aix Marseille Université - CNRS - IRD - INRAE - Collège de France)
Rapporteur M. Alain BERGEL Laboratoire de Génie Chimique (CNRS – INP Toulouse – Université Toulouse 3)
Rapporteur M. Alexandre GELABERT Institut de Physique du Globe de Paris (CNRS - Université Paris Cité)
CoDirecteur de these M. Clément LEVARD Centre européen de recherche et d'enseignement des géosciences de l'environnement (CEREGE, Aix Marseille Université - CNRS - IRD - INRAE - Collège de France)
CoDirecteur de these Mme Wafa ACHOUAK Laboratoire d'ecologie microbienne de la rhizosphère et d'environnements extrêmes (BIAM, CEA - CNRS - Aix-Marseille Université)
Examinateur M. Patrick BILLARD Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (CNRS - Université de Lorraine)
Examinateur M. David VALLENET Laboratoire d’Analyses Bio-Informatiques pour la Génomique et le Métabolisme (Genoscope, CEA - CNRS - Université Paris-Saclay)

Résumé de la thèse

Les résidus de bauxite sont des sous-produits générés lors de l'extraction de l'alumine et sont caractérisés par des niveaux élevés d'alcalinité, de salinité et de métaux toxiques. En absence d'applications à grande échelle, les résidus de bauxite sont généralement stockés dans des dépôts à ciel ouvert qui constituent des environnements hostiles pour la plupart des êtres vivants. Au-delà des préoccupations environnementales qu'elles soulèvent, ces dépôts de résidus de bauxite (DRBs) ont récemment attiré l'attention comme potentielles sources secondaires de certains métaux essentiels pour l'industrie, notamment les terres rares ou le scandium. Cette thèse est consacrée à l'étude du potentiel des stratégies bio-inspirées pour la valorisation des résidus de bauxite produits et déposés à Gardanne, Sud de la France. La phase initiale du projet a consisté en l'application d'une approche physico-chimique et biologique intégrée pour la caractérisation complète des résidus de bauxite de différents âges (1, 2, 90 et 100 ans) et produits à partir de différents types de bauxite (française et guinéenne). L'étude a permis de déterminer la composition géochimique de cinq échantillons de résidus de bauxite par ICP-OES, ICP-MS et analyse XRD, ainsi que la diversité bactérienne et fungique par metabarcoding des gènes 16S et ITS. Les résultats indiquent que les DRBs agissent comme des environnements de succession primaire et fournissent de nouvelles informations sur les premières étapes de l'assemblage des communautés microbiennes sur ces sites. Les analyses multivariées précisent que la salinité, le pH, les nutriments et certains métaux (principalement Cr et V) sont les principaux facteurs qui façonnent l’assemblage des communautés microbiennes. Le projet a également offert une occasion unique pour isoler et caractériser des micro-organismes extrêmophiles adaptés à se développer dans les DRBs, lesquelles pourraient servir de base à des stratégies de bioremediation et de récupération de métaux bio-inspirées. Au total, 38 souches bactériennes ont été isolées et identifiées par séquençage du gène de l’ARNe 16S. Les génomes de cinq souches bactériennes représentatives ont également été séquencés et annotés fonctionnellement en utilisant la technologie Illumina et la plateforme MicroScope, respectivement. Les résultats de génomique comparative permettent de mieux comprendre les mécanismes d’adaptation fondamentaux pour le développement des communautés microbiennes dans les DRBs. Finalement, nous avons exploré le potentiel des piles à combustible microbiennes (PCMs) comme méthode efficace pour la récupération des métaux stratégiques présents dans les résidus de bauxite. Une première approche a consisté à conduire des MFC en appliquant directement le courant sur des BRDA d'âges et d'origines différents. Dans une deuxième approche, des PCMs ont été réalisées sur des résidus de bauxite récemment produits mélangés avec des déchets de phosphogypse pour neutraliser leur pH, et inoculés avec des souches bactériennes natives isolées des DRBs. Les concentrations de métaux sur les cathodes ont été déterminées par ICP-OES et ICP-MS, et la présence de bactéries sur les cathodes a été confirmée par microscopie confocale. Les résultats montrent un impact significatif du potentiel appliqué et des communautés bactériennes sur l'augmentation de la concentration en certains métaux (y compris les terres rares) dans les biocathodes. Cette thèse élargit donc nos connaissances sur la colonisation pionnière et à long terme des communautés microbiennes dans les DRBs et explore l'application des souches bactériennes natives dans des techniques de récupération des métaux bio-inspirées.

Thesis resume

Bauxite residue is the byproduct generated during alumina extraction and is characterized by high levels of alkalinity, salinity, and toxic metals. Due to the absence of large-scale reuses, bauxite residues are commonly landfilled in open-air deposits that represent hostile environments for most domains of life. Beyond the environmental concerns they raise, bauxite residue deposit areas (BRDAs) have recently gained attention as potential secondary sources of certain metals essential for industry, such as rare earth elements (REEs) or scandium. This thesis is devoted to investigating the potential of bio-inspired strategies for the valorization of bauxite residues produced and deposited in Gardanne, Southern France. The initial phase of the project focused on applying an integrated physicochemical and biological approach to fully characterize bauxite residues of different ages (1, 2, 90, and 100 years) and produced from different bauxite ores (French and Guinean). The study assessed the geochemical composition of five different bauxite residue samples by ICP-OES, ICP-MS and XRD diffraction analysis, as well as the bacterial and fungal diversity by 16S and ITS metabarcoding. The results highlight the behavior of BRDA as primary successional environments and bring new insights into the early stages of microbial community assembly in these sites. Multivariate analysis indicates that salinity, pH, nutrients, and certain metals (mainly Cr and V) are the main drivers shaping microbial communities. The project also provided a unique opportunity to isolate and characterize extremophilic microorganisms adapted to thrive in BRDAs, which may serve as the basis for further bio-inspired bioremediation and metal recovery strategies. A total of 38 bacterial strains were isolated and identified by 16S sequencing. Additionally, the genomes of five representative bacterial strains were sequenced and functionally annotated using Illumina and MicroScope platforms, respectively. The comparative genomics results provide a better understanding of the fundamental adaptive mechanisms required for the development of microbial communities in BRDAs. Finally, we explored the potential of biocathode-based microbial fuel cells (MFCs) as an effective method for the recovery of valuable metals present in bauxite residue. The first approach consisted in performing MFCs by directly applying current on BRDA of different ages and origins. In a second approach, MFCs were performed on freshly produced bauxite residues mixed with phosphogypsum waste to neutralize their pH, and inoculated with native bacterial strains isolated from BRDAs. Metal concentrations on the electrodes were determined by ICP-OES and ICP-MS, and the presence of bacteria on the cathodes was confirmed by confocal microscopy. The results show a significant impact of the applied potential and bacterial communities on increasing the concentration of certain metals (including REEs) in the biocathodes. This thesis thus expands our knowledge on the pioneering and long-term colonization of microbial communities in BRDAs and explores the application of native bacterial strains in bio-inspired metal recovery techniques.