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Laccase (EC 1.10.3.2), a biogenic catalyst of many oxidative reactions, has been previously identified to mitigate the risks to human health linked to the presence of phenolic contaminants at sub-nanomolar concentrations in water resources. Operational performance and cost-effectiveness of biocatalytic processes are key aspects for successful applications, although they have been overlooked in environmental biocatalysis. The thesis objectives were i) to delineate important features for the scalability of environmental biocatalytic processes, ii) to define a methodology for laccase insolubilization, iii) to decipher immobilized laccase activity and stability toward pollutant removal and iv) to assess the process economic viability. Multivariate analysis and modeling were effective in identifying Pareto-optimal formulation of laccase immobilized on mesoporous silica. High catalytic rates of immobilized laccase at low pollutant concentrations were obtained in a continuous flow packed-bed reactor given the observed reaction order. The reactor conversion rate increased in pollutant mixtures due to radical-mediated oxidations. Internal mass transfer limitations were found to control the conversion rate of weak acids but also to change inactivation kinetics in denaturing as well as operational conditions, conferring apparent stability to the biocatalysts. Although stable in wastewater, immobilized laccase was prone to a turnover- and substrate-dependent inactivation mechanism. Given the process performance, a laccase-based water treatment could be economically competitive in the industrial water market if fungal laccase price falls thanks to recent advances in heterologous laccase production., (AGRO - Sciences agronomiques et ingénierie biologique) -- UCL, 2014

Les substances perturbatrices du système endocrinien sont des substances qui, de par leur capacité à induire des changements hormonaux chez les organismes vivants, génèrent des préoccupations dans le domaine de la qualité des eaux et, par extension, dans le domaine du traitement des effluents aqueux. Particulièrement, ce projet de recherche s’est attardé sur l’élimination des perturbateurs endocriniens phénoliques nonylphénol (NP), bisphénol A (BPA) et triclosan (TCS) en solution aqueuse à l’aide de la laccase (E.C. 1.10.3.2) sécrétée par la souche fongique Coriolopsis polyzona. Cette oxydase est une métalloprotéine pouvant catalyser l’oxydation d’une vaste gamme de substances phénoliques. En premier lieu, l’impact du pH et de la température sur l’élimination de ces composés à l’aide de la laccase libre en utilisant un design factoriel. L’oxydation de ces composés produit des oligomères (dimère à pentamère) via le couplage des radicaux phénoxy produits par l’action de la laccase. Il s’avère que les substances produites suite à l’oxydation du NP et du BPA par la laccase ont perdu leurs similitudes structurales avec l’estrogène. Ainsi, l’élimination de l’activité estrogénique de ces substances est directement liée à la transformation des composés. Finalement, l’utilisation d’ABTS comme médiateur a permis d’augmenter le taux d’oxydation enzymatique de ces composés chimiques. Puis, de façon à augmenter la possibilité d’utilisation de la laccase dans des biotechnologies environnementales, cette enzyme a été immobilisée sur un support siliceux et via la réticulation d’agrégats. L’impact des conditions d’immobilisation sur l’activité enzymatique, la stabilité du catalyseur et les propriété biocatalytiques apparentes a été déterminé pour différentes stratégies d’immobilisation. Globalement, l’immobilisation génère un biocatalyseur stable vis-à-vis les dénaturations chimique, physique et biologique. Particulièrement, l’immobilisation sur un support solide produit un biocatal, (AGRO 3) -- UCL, 2008

Cette thèse recherche des outils biologiques utilisables en laboratoire et dans le milieu en vue de mesurer la performance environnementale des usines de pâtes et papiers en eaux douces pour leurs effluents; à cette fin, elle fait des liens entre des effets observés et des technologies utilisées par les usines dans la fabrication de leurs produits et dans le traitement de leurs effluents. Les outils étudiés dans cette perspective impliquent deux espèces de poissons au laboratoire, trois espèces de poissons et une espèce d’invertébrés sentinelles dans le milieu et l’analyse de l’intégrité biotique de communautés de poissons. Nous avons commencé en explicitant que l’induction d’une oxydase à fonction mixte (OFM) hépatique est un bon biomarqueur d’exposition aux substances xénobiotiques des effluents chez la truite arc-en-ciel Oncorhynchus mykiss. En laboratoire, nous avons étudié la réponse de cette OFM comme outil de comparaison entre des effluents issus de différents procédés de fabrication de pâtes et papiers et de différents types de traitements. Nous avons aussi explicité que le traitement secondaire d’effluents de papetières diminue l’induction de cette OFM hépatique chez des truites-arc-ciel. Une investigation plus poussée a permis d’identifier deux substances de ces effluents qui induisent l’activité de l’OFM dans le foie de la truite arc-en-ciel, à savoir la juvabione et la déhydrojuvabione. Celles-ci sont deux composants naturels du bois de sapin baumier où ils protégent l’arbre contre des insectes nuisibles en agissant comme des analogues d’hormones d’insectes juvéniles. Nous avons ensuite cherché à compléter le biomarqueur OFM avec un second outil étudiant les effets des effluents de papetières sur des paramètres de la reproduction du cyprinidé dulcicole Pimephales promelas. Nous avons alors constaté que des effluents d’usines de pâtes et papiers pouvaient perturber des caractéristiques sexuelles chez des mâles et des femelles, affecter les niveaux de leur, (BIOL 3) -- UCL, 2006