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Upaya penanggulangan tumpahan minyak bumi telah banyak dilakukan, namun hasilnya masih kurang memuaskan. Pengolahan tanah terkontaminasi dengan teknik biopile dipandang sebagai salah satu alternatif yang memiliki biaya pengolahan relatif rendahdan ramah lingkungan serta tidak memerlukan lahan yang luas, selain kondisi kelembaban dan ketersediaan udara yang dapat dikendalikan sehingga pertumbuhanbakteri dapat terjaga. Untuk meningkatkan aktivitas bakteri maka perlu dilakukanpenambahan nutrisi dan oksigen. Tanah terkontaminasi bertekstur klei pada kondisikelembaban tinggi memiliki sifat mudah mengembang dan lengket. Pada kondisi kelembaban rendah tanah menjadi lebih keras dan mudah pecah, sehingga perludilakukan penambahan bahan pencampur yaitu kompos 10% dan pasir 30%.Penambahan ini mampu meningkatkan porositas dan kegemburan tanah sehinggasebaran udara di dalam tanah lebih merata. Tujuan kegiatan ini adalah merencanakanpengolahan tanah terkontaminasi minyak bumi melalui aplikasi teknologi biopilesehingga tanah olahan biopile dapat memenuhi Permen LH nomor 128 Tahun 2003.

Within the framework of the ANR biopile abiotic implantable (Imabic) project coordinated by INAC, this thesis work aimed to optimize the performance and stability of a biocathode based on iron and nitrogen-doped graphene (Fe/N-rGO). We have therefore manufactured and characterized different types of biocathods involving different binders in order to provide electrode architectures that are best suited to allowing the species consumed and produced during the reaction to be distributed within them. In these studies, one binder is distinguished from the others, the chitosan binder. In addition, once this binder was cross-linked using Genepine, we observed a stability of electrochemical performance over time, limiting the loss of current density to 5% of a biocathode that had been stored in physiological condition for 27 months. During this project, we also developed a new electrode manufacturing process involving freeze-drying, this process allows an increase in the porosity of the electrodes and improves the mass current densities by a factor of 4 compared to those provided by the compressed electrodes. However, this improvement is made at the expense of mechanical resistance and the resulting electrodes become more sensitive to shocks, in order to provide a solution to this new problem we have optimized our process by adding a carbon support to our freeze-dried biocathodes, allowing to improve the mechanical hold while maintaining the electrochemical properties. In the second part of this manuscript, we looked at the biocompatibility of our biocathode system. We carried out preliminary cell culture tests of the different materials likely to make our biocathode in the presence of mouse fibroblast cells: 3T3-L1 cells. These tests demonstrate a normal proliferation for the different binders used, but demonstrate a disrupted viability of the cells with respect to the presence of the catalyst at 10%. On the basis of these results, the Grenoble Ethics Committee approved the use of rat implants. Two biocathods from the compression process and two biocathods from the freeze-drying process were implanted in two rats that showed no signs of suffering and natural behaviour during the 1-month implantation period. After autopsy, no organ was affected by the presence of electrodes, on the other hand, on the four implants, three were coated with biological tissue resulting from implantation. Histological analysis of these tissues showed a fat composition for two of them and an inflammatory zone between 20 and 50 µm, consisting of fibroblastic cells, macrophages and polynuclear. We also observed that the tissues were highly vascularized.; Dans le cadre du projet ANR biopile abiotique implantable (ImAbic) coordonné par l’INAC, ce travail de thèse avait pour objectif d’optimiser les performances et la stabilité d’une biocathode à base de graphène dopé au fer et à l’azote (Fe/N-rGO). Nous avons donc fabriqué et caractérisé différents types de biocathodes mettant en jeu différents liants afin de fournir des architectures d’électrodes les plus aptes à laisser diffuser en leur sein les espèces consommées et produites lors de la réaction. Lors de ces études, un liant c’est distingué des autres, le liant chitosan. De plus, une fois ce liant réticulé à l’aide de Génépine, nous avons observé une stabilité des performances électrochimique dans le temps, limitant la perte de densité de courant à 5% d’une biocathode ayant été stockée en condition physiologique pendant 27 mois. Durant ce projet, nous avons également développé un nouveau processus de fabrication des électrodes impliquant la lyophilisation, ce processus permet une augmentation de la porosité des électrodes et améliore les densités de courant massique d’un facteur 4 en comparaison à celles fournies par les électrodes compressées. Toutefois, cette amélioration se fait au détriment de la tenue mécanique et les électrodes obtenues deviennent alors plus sensibles aux chocs, afin d’apporter une solution à cette nouvelle problématique nous avons optimisé notre processus en ajoutant un support carboné à nos biocathodes lyophilisées, permettant d’améliorer la tenue mécanique tout en maintenant les propriétés électrochimiques.Dans la deuxième partie de ce manuscrit, nous nous sommes intéressés à l’étude de la biocompatibilité de notre système de biocathode. Nous avons effectué des tests préliminaires de culture cellulaire des différents matériaux susceptibles de composés notre biocathode en présence de cellules fibroblaste issues de souris : les cellules 3T3-L1. Ces tests démontrent une prolifération normale pour les différents liants utilisés, mais démontrent une viabilité perturbée des cellules face à la présence du catalyseur à hauteur de 10%. Fort de ces résultats, nous avons eu l’autorisation du comité d’éthique de Grenoble afin d’effectuer des implantations chez le rat. Deux biocathodes issues du procédé de compression et deux biocathodes issues du procédé de lyophilisation ont été implantées dans deux rats qui n’ont démontré aucun signe de souffrance et un comportement naturel durant la période d’implantation soit 1 mois. Après autopsie, aucun organe ne fut affecté par la présence des électrodes, d’autre part, sur les quatre implants, trois étaient enrobés d’un tissu biologique résultant de l’implantation. L’analyse histologique de ces tissus a montré une composition de tissu adipeux pour deux d’entre eux et une zone inflammatoire comprise entre 20 et 50µm, composée de cellules fibroblaste, de macrophages et de polynucléaire. Nous avons également pu observer que les tissus étaient fortement vascularisés.

Amidst anthropogenic climate change, alternatives to fossil fuel power sources must be developed. Originating in an observation by M. C. Potter dating back from 1911, increasing research has shown that the idea of harvesting the metabolic activity of microorganisms to generate electricity is realistically achievable. These devices, microbial fuel cells (MFC), focus on converting chemical energy from organic matter into electricity by gathering electrons produced by bacteria degrading these molecules. Such fuel cells may be used as renewable energy sources but a lot of challenges need to be addressed before they become an efficient, stable and profitable technology. Various approaches to tackle these problems exist. For instance, the electronic transfer between the bacterium and the electrode can be improved by working on the organism or the consortium used to degrade the organic matter. Here we seek to improve the material and the architecture of the electrochemical system and especially those of the bacteria-colonized anode. We start from the observations of the limitations of the current electrodes for MFCs to design a better system.This work focuses on the conception of the bioanode of a microbial fuel cell by electrospinning. This process allows the shaping of nano to micro-scaled polymer fibers through electrically-assisted extrusion. We obtain nonwoven mats of polymer fibers which are made conductive by subsequent heat treatments or by the addition of carbon-based materials. The colonization of these electrospun membranes by the model electroactive bacteria Shewanella oneidensis is conducted through diverse approaches: natural biofilm development – either in situ or ex situ – or core-shell encapsulation. Once prepared, the anodes are then integrated into a functional lab-scale fuel cell in order to evaluate their electrochemical characteristics. The impact of the colonization of these conductive electrodes on the electrochemical performances of a full MFC is then discussed. The performances of the novel architectures are assessed and compared with the literature and exhibit remarkable volume-normalized current and power outputs – up to 3.26•103 A•m 3 and 296 W•m 3 vs. 2.08•103 A•m 3 and 500 W•m 3 for optimized reactors with the same electrolytes and bacteria (Ringeisen et al., 2006). A long-term storage method of the bioanodes based on cryodesiccation is henceforth presented. Eventually, the electrodes developed in this work are integrated into an MFC setup including real effluents from wastewaters. Their performances in current generation from an actual power source are investigated and are shown to be encouraging – 4.4•10(3) A•m(-3) and 438 W•m (-3.); L’urgence climatique rend plus que jamais incontournable le développement de sources d’énergie propres. Fondés sur les travaux que M. C. Potter mena en 1911, un nombre croissant de chercheurs se sont intéressés à la possibilité d’utiliser des microorganismes pour produire de l’électricité, et ont démontré que ce projet est réalisable. De tels dispositifs, les piles à combustibles microbiennes (PCM), puisent dans l’activité métabolique de bactéries dégradant des molécules organiques, en récupérant les électrons issus de leur respiration. Ces biopiles sont ainsi une source d’énergie renouvelable. Cependant, les modèles existants aujourd’hui doivent être significativement améliorés avant de pouvoir représenter une technologie performante, stable, et profitable. Plusieurs approches existent pour atteindre cet objectif. Par exemple, le transfert électronique entre la bactérie et l’électrode peut être amélioré en travaillant sur la nature du microorganisme ou du consortium bactérien utilisé. Dans ce projet, nous cherchons plutôt à optimiser le matériau et l’architecture d’une anode colonisée par des bactéries au sein d’une PCM. La conception de ce nouveau système est fondée sur l’observation des limites des bioanodes actuellement utilisées.Cette thèse s’intéresse ainsi à la conception d’une bioanode pour pile à combustible microbienne par électrofilage. Ce procédé permet la mise en forme de fibres de polymère nano à micrométriques par extrusion électro-assistée. Ainsi, nous obtenons une membrane de fibres entremêlées que l’on rend conductrice à l’aide de traitements thermiques ou de l’adjonction de particules carbonées. Les électrodes obtenues, adaptées à l’échelle bactérienne, sont ensuite colonisées par la bactérie électroactive Shewanella oneidensis. Cette étape est accomplie soit en laissant un biofilm se développer (in situ ou ex situ), soit en encapsulant les bactéries dans des fibres cœur-coquille. Par la suite, les bioanodes sont intégrées dans un montage de biopile pour évaluer leurs performances et caractéristiques électrochimiques. Les électrodes développées sont alors comparées aux performances mentionnées dans la littérature et montrent de remarquables densités volumiques de puissance et de courant (jusqu’à 3,26•103 A•m 3 et 296 W•m 3 contre 2,08•103 A•m 3 et 500 W•m 3 pour des réacteurs optimisés dans des conditions similaires (Ringeisen et al., 2006)). Un procédé basé sur la cryodessiccation et visant la conservation à long terme des électrodes conçues est aussi présenté. Enfin, les bioanodes développées sont utilisées pour produire de l’électricité à partir de véritables eaux usées. De même, leurs performances sont évaluées et sont encourageantes (4,4•10(3) A•m(-3) et 438 W•m(- 3))

Electronic medical devices are nowadays blossoming, revolutionizing the way of think- ing the healthcare. These innovative devices are more and more frequently substituting the classical and conventional pharmaceutical approach to monitor and treat various diseases in different parts of the body, increasing results and limiting side effects. Re- cently, the advancements in bioelectronics have brought miniaturized implantable medical devices, which can be placed directly on the desired spot of the body, and wearable so- lutions, allowing the monitor of body parameters with minimum impact on the patients. Moreover, these devices are now embedding wireless communication capabilities, to allow the remote monitoring without needing unwanted wires. In order to further improve this technology, one of the most challenging and still not solved design problem is the research of a suitable powering approach, since classical batteries are not the optimal choice due to their size, weight and discharge in time. This dissertation proposes new batteryless solutions for both implantable and wearable wireless medical devices.On the implantable side, the first steps towards a highly integrated implantable micro- energy platform with communication capabilities are carried out. Two alternatives to batteries were selected to power the device: Wireless Power Transfer (WPT) and glucose Biofuel Cells (BFC). The first involves the transmission of energy from a transmitter to a receiver via an oscillating magnetic field and the second uses living organisms to produce electricity, using glucose and oxygen, both very abundant inside the human body. The proposed design is able to merge these two technologies in one single object, having both antenna and electrode capabilities, in order to allow a further miniaturization of the platform while having a hybrid powering system. Regarding wearable devices, fully-passive Ultra High Frequency Radio Frequency Identification (UHF-RFID) sensor solutions are proposed with application on laboratory rodents and human healthcare.In this work, the proposed hybrid implantable technology was successfully validated. Improvements of the structure, starting from a simple design, were defined and proven, in order to increase the efficiency of the wireless link. This allows to reduce the impact of dielectric losses associated to the body environment, while keeping the antenna/electrode in contact with the tissues. Moreover, four wearable RFID sensors were developed in order to continuously monitor a BFC implanted in a laboratory rat, leading to successfully monitoring of a BFC in-vivo for about 24 hours. Finally, a passive ultra-low-cost wearable RFID tag, with temperature monitoring capabilities, was also designed and developed using corrugated cardboard as substrate, allowing the easy screening of the human body temperature in developing countries, in case of emergencies or diseases outbreak., Ce travail de doctorat fait partie d'un projet multidisciplinaire, dont le but est de développer de nouveaux capteurs biomédicaux implantables, sans fil et qui fonctionnent sans moyens de batterie. La thèse se concentrera sur la partie électronique de ces implants. Des solutions novatrices seront proposées afin d'alimenter les appareils et d'optimiser la communication avec l'extérieur du corps. La communication se fera par le biais d'un lien radiofréquence et, en ce qui concerne la source d'alimentation, nous prévoyons utiliser deux alternatives aux batteries: transfert de puissance sans fil et biopiles. Le premier implique la transmission d'énergie d'un émetteur à un récepteur via un champ magnétique oscillant et le second utilise des organismes vivants pour produire de l'électricité, en utilisant du glucose et de l'oxygène, tous deux très abondants à l'intérieur du corps humain.

Microbial fuel cell, MFC, is a bioengine that combine biochemical and electrochemical principle respectively to extract the stored electrons in organic material and to turn them into electricity. In an MFC, living electroactive microbes, with its whole enzymatic system, are employed to biocatalyze the oxidation of organic fuel; an anode is artificially introduced to divert the electrons, as resulted in the bacterial respiratory system; and oppositely a cathode drives the electron flow that further be switched to electrical power. Electroactive microbes spread out in numerous sources such as soil, compost, sludge, waste water, and so on. The feed, organic fuel and/or other nutrient, also can abundantly be present in their matrix sources and in many other priceless sources, which commonly available in daily life. Bacterial abundance and unlimited organic fuel are the two attractive reasons for the development of sustainable energy source as such as MFC, which is also drawn our attention in this research. Herein, we developed MFC, double chamber (DCMFC) and single chamber (SCMFC), which powered by garden compost as electroactive source and acetate fuel. For sustainability reason and other advantages i.e. practicability and eco-friendly, we mainly focused on SCMFC with air-breathing cathode system. The common problematic of the SCMFC is the limited power production that mainly due to the slow kinetic of oxygen reduction reaction (ORR) in the cathodic part. Therefore, it is important to developed the material of air-breathing cathode which has a proper catalysis activity toward ORR to overcome this limitation. Carbon felt (CF) is the selected support material that suitable for air-breathing cathode fabrication. While, platinum (Pt) and manganese oxide (MnOx) respectively, as supreme and runner-up catalyst’s class, has been grown on CF through a simple electrodeposition method. The resulting materials, named as ACF@Pt and ACF@MnOx, have been characterized comprehensively by electrochemical and physicochemical methods to determine their electrocatalytic performances, which support for air-breathing cathode application. Accordingly, we have developed two main types of air-breathing cathode, i.e. ACF@Pt and ACF@MnOx, which have been successfully applied in SCMFC powered by garden compost with generated power density respectively 140 mW m-2 and 110 mW m-2. Moreover, the both developed material also reveal some promising application. For instance, ACF@Pt has been applied as MFC’s anode, both in DCMFC and SCMFC, and has improved the power density up to 300 mW m-2. Interestingly, it is also shown as an excellent electrocatalyst in hydrogen evolution reaction, HER. While, the ACF@MnOx material shows a promising electrocatalyst in an electro-Fenton like system to mineralization of biorefractory material i.e. one of the hazardous pollutant constituent of wastewater.; La pile à combustible microbienne, MFC, est un bioengine qui associe respectivement le principe biochimique et le principe électrochimique pour extraire les électrons stockés dans la matière organique et les transformer en électricité. Dans un MFC, des microbes électroactifs vivants, avec son système enzymatique complet, sont utilisés pour biocatalyser l'oxydation du combustible organique; une anode est introduite artificiellement pour détourner les électrons, ce qui a eu pour résultat le système respiratoire bactérien; et à l'opposé, une cathode entraîne le flux d'électrons qui est ensuite commuté sur le courant électrique. Les microbes électroactifs se répandent dans de nombreuses sources telles que le sol, le compost, les boues, les eaux usées, etc. Les aliments pour animaux, les combustibles organiques et / ou d'autres nutriments peuvent également être abondamment présents dans leurs sources matricielles et dans de nombreuses autres sources inestimables, couramment disponibles dans la vie quotidienne. L'abondance bactérienne et le carburant organique illimité sont les deux raisons attrayantes pour le développement d'une source d'énergie durable telle que le MFC, qui attire également notre attention dans cette recherche. Ici, nous avons développé MFC, double chambre (DCMFC) et chambre unique (SCMFC), alimentés par compost de jardin comme source électroactive et acétate de carburant. Pour des raisons de durabilité et d’autres avantages, c’est-à-dire praticables et respectueux de l’environnement, nous nous sommes principalement concentrés sur le SCMFC avec un système de cathodes respiratoires. La problématique commune du SCMFC est la production d’énergie limitée due principalement à la cinétique lente de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) dans la partie cathodique. Par conséquent, il est important de mettre au point le matériau de la cathode respiratoire qui présente une activité de catalyse appropriée vis-à-vis de la perte de réponse optique pour surmonter cette limitation. Le feutre de carbone (CF) est le matériau de support choisi qui convient à la fabrication de cathodes à respiration aérienne. Alors que le platine (Pt) et l’oxyde de manganèse (MnOx), respectivement, en tant que classe de catalyseur suprême et de second rang, ont été développés sur CF grâce à une méthode simple d’électrodéposition. Les matériaux résultants, dénommés ACF@Pt et ACF@MnOx, ont été caractérisés de manière complète par des méthodes électrochimiques et physicochimiques afin de déterminer leurs performances électrocatalytiques, supportant ainsi l’application de cathodes respiratoires. En conséquence, nous avons développé deux principaux types de cathodes respiratoires, à savoir ACF@Pt et ACF@MnOx, appliquées avec succès dans le SCMFC alimenté par du compost de jardin avec une densité de puissance respective de 140 mW m-2 et 110 mW m-2. De plus, les deux matériaux développés révèlent également des applications prometteuses. Par exemple, ACF@Pt a été utilisé comme anode de MFC, à la fois dans DCMFC et SCMFC, et a amélioré la densité de puissance jusqu'à 300 mW m-2. Fait intéressant, il est également montré comme un excellent électrocatalyseur dans la réaction de dégagement d’hydrogène, HER. Alors que le matériau ACF@MnOx présente un électrocatalyseur prometteur dans un système de type électro-Fenton à la minéralisation d'un matériau biréfractif, c'est-à-dire l'un des constituants polluants dangereux des eaux usées.

Photosynthetic electron derivation on living organism using quinones : the case of Chlamydomonas reinhardtii Nowadays, energy is a major concern to societies and research is focusing on finding new sources of clean and sustainable energy. In this context, photosynthesis may be an appropriate way to meet this objective. Indeed solar light provides the chemical energy required by photosynthetic organisms to maintain their cellular activity. Taking advantage of photosynthesis to produce a photocurrent requires intercepting electrons exchanged in the oxidation/reduction processes occurring along the photosynthetic chain. This is why we consider here an electrochemical device involving a gold electrode able to derivate photosynthetic electrons from a population of Chlamydomonas reinhardtii algae. However photosynthsesis is a multi-speed process and a rate controlling step was identified just before the b6f complex. This is why the strategy of this work aimed at deriving electrons before the b6f cytochrom. This allows to relieve algae from stress under high light conditions. Known as efficient PSII acceptors, quinones were used as exogenous mediators to transfer the electrons from the photosynthetic chain to the electrode surface. Therefore, the resulting photocurrents under illumination, were commented and discussed in order to understand and define the best appropriate experimental conditions for this bio-solar generator. Quinones were shown to induce toxicity on algae. Focus was directed on finding the best chemical structure which would combine good derivation properties and little toxicity.; L'énergie est un enjeu crucial pour les sociétés actuelles et le recours à des énergies alternatives est de jour. Or la photosynthèse apparaît comme une piste intéressante et les unités photosynthétiques comme des convertisseurs potentiels sélectionnés par l'Evolution. Lors de la photosynthèse électron poursuit son cheminement le long de la chaîne photosynthétique pour permettre la mise en marche des différents complexes enzymatiques nécessaires au maintien en vie de l'organisme photosynthétique. L'étape cinétiquement limitante de ce transfert électronique se situe en amont du cytochrome b6f. C'est cette limitation qui serait responsable des dommages encourus par les algues sous forte lumière connus sous le nom de photoinhibition. Ainsi pour ne pas compromettre la vie de l'algue unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii, la stratégie mise en place durant ces travaux de thèse a été de dériver les électrons d'une manière sélective en amont de l'étape cinétiquement limitante. Pour cela des quinones exogènes ont été utilisées comme accepteurs d'électrons capables d'atteindre la chaîne photosynthétique, de récupérer les électrons et de venir s'oxyder à l'électrode polarisée. Une demi-pile a été mise en place et la stabilité du courant dans le temps étudiée. Une toxicité des quinones a en particulier été mise en évidence et serait responsable de la dégradation des performances du système au cours du temps. Les spectroscopies de fluorescence et d'absorption ont pu fournir des éléments de réponse. Des critères de choix de quinones ont été identifiés et partant de là, de la synthèse organique a été effectuée pour essayer de trouver un compromis entre dérivation et toxicité.

Photosynthetic electron derivation on living organism using quinones : the case of Chlamydomonas reinhardtii Nowadays, energy is a major concern to societies and research is focusing on finding new sources of clean and sustainable energy. In this context, photosynthesis may be an appropriate way to meet this objective. Indeed solar light provides the chemical energy required by photosynthetic organisms to maintain their cellular activity. Taking advantage of photosynthesis to produce a photocurrent requires intercepting electrons exchanged in the oxidation/reduction processes occurring along the photosynthetic chain. This is why we consider here an electrochemical device involving a gold electrode able to derivate photosynthetic electrons from a population of Chlamydomonas reinhardtii algae. However photosynthsesis is a multi-speed process and a rate controlling step was identified just before the b6f complex. This is why the strategy of this work aimed at deriving electrons before the b6f cytochrom. This allows to relieve algae from stress under high light conditions. Known as efficient PSII acceptors, quinones were used as exogenous mediators to transfer the electrons from the photosynthetic chain to the electrode surface. Therefore, the resulting photocurrents under illumination, were commented and discussed in order to understand and define the best appropriate experimental conditions for this bio-solar generator. Quinones were shown to induce toxicity on algae. Focus was directed on finding the best chemical structure which would combine good derivation properties and little toxicity.; L'énergie est un enjeu crucial pour les sociétés actuelles et le recours à des énergies alternatives est de jour. Or la photosynthèse apparaît comme une piste intéressante et les unités photosynthétiques comme des convertisseurs potentiels sélectionnés par l'Evolution. Lors de la photosynthèse électron poursuit son cheminement le long de la chaîne photosynthétique pour permettre la mise en marche des différents complexes enzymatiques nécessaires au maintien en vie de l'organisme photosynthétique. L'étape cinétiquement limitante de ce transfert électronique se situe en amont du cytochrome b6f. C'est cette limitation qui serait responsable des dommages encourus par les algues sous forte lumière connus sous le nom de photoinhibition. Ainsi pour ne pas compromettre la vie de l'algue unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii, la stratégie mise en place durant ces travaux de thèse a été de dériver les électrons d'une manière sélective en amont de l'étape cinétiquement limitante. Pour cela des quinones exogènes ont été utilisées comme accepteurs d'électrons capables d'atteindre la chaîne photosynthétique, de récupérer les électrons et de venir s'oxyder à l'électrode polarisée. Une demi-pile a été mise en place et la stabilité du courant dans le temps étudiée. Une toxicité des quinones a en particulier été mise en évidence et serait responsable de la dégradation des performances du système au cours du temps. Les spectroscopies de fluorescence et d'absorption ont pu fournir des éléments de réponse. Des critères de choix de quinones ont été identifiés et partant de là, de la synthèse organique a été effectuée pour essayer de trouver un compromis entre dérivation et toxicité.

Soil at a site located in North-Eastern Italy has been impacted by a persistent, long term exposure to diesel fuel. The concentration of organic contaminants in soil exceeded the acceptable limits indicated by the present regulations concerning the specific use-destination of the sites and its reclamation. The contamination involved several thousands square meters of soil surface resulting in some thousand cubic meters of soil. Approximately 650 cubic meter of the most contaminated soil was moved to a nearby site where a biopile was assessed with the aim to enhance the activities of the soil community to reduce the oil concentration. In order to verify the correct operation of the system it was continuously monitored in terms of chemical concentration, biological activity and community structure. The main remediation occurred within the first 300 days of treatment allowing the soil to be back within the threshold defined by current laws for industrial and commercial activities. An additional 200 days treatment was needed to further reduce the oil content to the limits required for public parks and residential areas. Lab scale biopiles were also assessed to evaluate the role of commercial inoculants in the remediation process.

Microbial fuel cells (MFC) are a type of fuel cells based on bacteria as biologic catalysts. By the metabolism of organic compounds, these micro-organisms produce and transfer electrons to a conductive matrix. The objective of this study is to evaluate the impact of working conditions and structural parameters on the biofilm formation and the electrochemical behaviour of electroactive bacteria. By optimising the bacterial growth of Shewanella oneidensis strain in semi-aerobic condition, various working condition was evaluated to better understand the interaction between a carbon felt (CF) electrode and the bacteria. It appears that the bacterial state of growth influences the electron transfer of the cells, as well as the electrolyte nature. The effect of the anodic polarization was evaluated by applying various poised potential between -0.3 V and 0.5 V in both single and dual-chamber MFC. This study leads to the conclusion that bacteria are more sensible to highly positive potential in membrane-less MFC. On the contrary, in dual-chamber reactors, both positive and negative potential leads to the formation of different biofilm architectures. Then, an artificial biofilm was created by incorporating bacteria encapsulated into a silica gel into a CF. The electrochemical behaviour of bacteria seems sensible to the tightness of the silica network. Finally, by the electrospinning of polyacrylonitrile solution and then the annealing of the fiber mat, an electrode with micro-scaled carbon fibers was produced. The use of this electrode as an anode in a MFC leads to an increase of the MFC performance and more specially of the anodic current density by a factor 10 to 100.; Les biopiles microbiennes (PACB) sont un type de pile à combustible utilisant des bactéries comme catalyseurs. Par la métabolisation de matières organiques, les bactéries produisent et transfèrent des électrons à une matrice conductrice. Les matériaux carbonés, comme les feutres de carbone (fibres de 10 µm de diamètre) sont adaptés comme matériau anodique. L’objectif de cette thèse est d’évaluer l’effet des paramètres expérimentaux et structuraux sur la formation du biofilm et sur le comportement électrochimique d’une bactérie électro-active à la surface d’une électrode. Suite à l’optimisation de la croissance de Shewanella oneidensis en condition de semi-aérobie, l’effet de la présence d’oxygène, de l’état de croissance de la bactérie et de la nature de l’électrolyte sur le transfert électronique, ont été évalué. La polarisation de l’anode a des potentiels compris entre -0.3 et 0.5 V conduit à deux conclusions : (i) Les bactéries sont plus sensibles a des potentiels positifs élevés en réacteur mono-compartiment. (ii) En PACB à deux compartiments, les potentiels négatifs et positifs conduisent à deux structures de biofilm différentes. Un biofilm artificiel a été conçu en encapsulant des bactéries dans une gel de silice incorporé dans un feutre de carbone. Il apparait que le transfert électronique des bactéries encapsulées varie en fonction de la rigidité du réseau de silice. Finalement, par l’electrospinning d’une solution de PAN et le traitement thermique de la membrane obtenue, une électrode formée de fibres micrométriques a été conçue. Son utilisation en PACB conduit à une augmentation des performances de la biopile. Le courant anodique augmente d’un facteur 10 à 100.

Bioelectrical systems, such as enzymatic biofuel cells, often require a molecular construction complex comprising the enzyme cofactor, intermediary molecules and electrochemical mediators. In order to simplify them, we have replaced these different partners by 13 analogs that are simple to synthesize after identification by screening in silico. The nicotinamide ring is coupled to an aromatic moiety and an electrochemical mediator is then coupled to it as well, resulting in various colored powders (pink, red). The first step' s yield is around 83% with a purity of approximately 92%. The second step's yield is comprised between 45% and 65% with a purity of 97%. The analogs were characterized chemically (NMR, mass spectrometry) and electrochemically (cyclic voltammetry, spectroelectrochemistry). The activities of two enzymes, the formate dehydrogenase (FDH) and the horse liver alcohol dehydrogenase (HLADH), and an organometallic catalyst, [Cp*Rh(bpy)H2O]2+, were evaluated with these analogs. Weak activities were observed for 4 analogs using the HLADH and 1 analog using the FDH. Unlike the enzymes, the reduction of a conjugated mediator was confirmed with the catalyst [Cp*Rh(bpy)H2O]2+ using cyclic voltammetry. The wild type FDH is not adapted to function with these new substrates, which can be solubilized in an IL such as [MMIm][Me2PO4]. An FDH (N187S/T321S) shown to be tolerant to [MMIm][Me2PO4], and obtained previously by directed evolution, was studied by isolating the two single mutants, N187S and T321S. The double mutant N187S/T321S and the mutant N187S are 4 times more active in aqueous solution and in [MMIm][Me2PO4]. Fluorescence spectroscopy analyses showed that the single mutation N187S favorises FDH dimer stability by modifying the pKa of the amino acid E163. The latter is involved in FDH thermal stability and tolerance in ILs, Les systèmes bioélectroniques tels que les biopiles enzymatiques nécessitant souvent l'utilisation des assemblages moléculaires complexes comprenant le cofacteur de l'enzyme, des agents de couplage et des médiateurs électrochimiques. Afin de les simplifier, nous avons remplacé ces différents partenaires par 13 analogues simples à synthétiser après identification par criblage in silico. Le noyau aromatique est couplé à un noyau aromatique et puis un médiateur électrochimique est couplé à celui-ci. Les produits sont des poudres de couleurs variées (rose, rouge). Le rendement de la première étape est de 83% avec une pureté d'environ 92%. Le rendement de la seconde étape est compris entre 45% et 65% avec une pureté de 97%. Ces analogues ont été caractérisés chimiquement (RMN, spectrométrie de masse) et électrochimiquement (voltammétrie cyclique et spectroélectrochimie). Les activités de deux enzymes, la formiate déshydrogénase (FDH) et l'alcool déshydrogénase de foie de cheval (HLADH), et d'un catalyseur organométallique, le [Cp*Rh(bpy)(H2O)]2+, ont été évaluées avec ces analogues. De faibles activités ont été observées en présence de l'HLADH avec 4 analogues et en présence de la FDH avec un seul analogue. Au contraire aux enzymes, la réduction d'un médiateur a pu été confirmée en présence du catalyseur [Cp*Rh(bpy)(H2O)]2+ par voltammétrie cyclique. La FDH native n'est pas adaptée à fonctionner avec ces nouveaux substrats solubles dans un LI, le [MMIm][Me2PO4]. Une FDH tolérante (N187S/T321S) au [MMIm][Me2PO4] précédemment obtenue par évolution dirigée a été donc étudiée en isolant les simples mutants N187S et T321S. Le double mutant N187S/T321S et le simple mutant N187S sont 4 fois plus actifs en solution aqueuse et en présence de LI. Des analyses par spectroscopie de fluorescence ont montré que la simple mutation N187S favorise la stabilité du dimère de FDH en modifiant le pKa de l'acide aminé E163. Celui-ci est impliqué dans la thermostabilité et la tolérance des FDHs aux LIs

Microbial fuel cell (MFC) has been considered as a renewable energy source which uses bacteria to convert chemical energy into electricity. Since the anode, as the electron acceptor for the electroactive bacteria, directly interacts with microorganisms, the selection of high performance anode materials is of crucial importance in the design of a MFC. Recently, graphene has been considered as the intriguing material, attracting strong scientific and technological interest with great application potentials in various fields, such as lithium ion batteries, solar cells and electrochemical super-capacitors, for its unique nanostructure and extraordinary properties. Therefore, surface modification using reduced graphene oxide has been investigated for the construction of anodes. An abiotic cathode has also been investigated since it often has a kinetic limitation regarding the oxygen reduction reaction. The potential of the use of organometallics complexes, and more particularly nickel phthalocyanines (poly-NiTSPc), has been studied and applied to the fabrication of cathodes for biofuel cells applications. Thereby, a dual chamber hybrid MFC has been constructed combining a reduced graphene oxide modified bioanode with a chemical poly-NiTSPc modified carbon felt. This MFC uses compost garden leachate, as source of microorganisms, for the growth of an electroactive biofilm onto the anode and presents an excellent lifetime. Indeed, graphene allowed to obtain a power density stable for 40 fays (24.8 mW/m² with pure oxygen). When the modified carbon felt was used as cathode, the power densities obtained were 7.5 higher than the use of platinum cathode. Furthermore, a new design of a dual chamber MFC has been built up in order to work with a constant flow, to supply continuously substrates to the biofilm formed onto the anode from a pure strain, Pseudomonas aeruginosa, and to avoid to work in a batch as it is usually done. The interest of this configuration is to prevent any current loss due to a lack in supply of substrates. Using this bioreactor as a MFC, different parameters have been explored such as the feed rate and the glucose consumption in the anodic compartment, the evolution of the pH as well as the biomass between the entrance and the exit of the chamber. A first study of the correlation between all these parameters has been proposed.; Les biopiles microbiennes sont des sources d’énergies renouvelables utilisant des bactéries qui convertissent une énergie chimique en électricité. Pour cela, l’anode doit collecter les électrons issus des microorganismes. La sélection d’un matériau d’anode possédant de grandes performances est d’une importance cruciale dans la construction d’une biopile microbienne. Le graphène est considéré comme un matériau prometteur avec de grandes possibilités d’application dans de nombreux domaines tels que les batteries Li-ion, les cellules photovoltaïques et les super condensateurs électrochimiques en raison de sa structure nanométrique. Ainsi, la modification de surface par de l’oxyde de graphène réduit a été appliquée à la construction d’anodes pour biopiles microbiennes. La cathode abiotique a aussi été étudiée puisqu’elle présente souvent une limitation cinétique vis-à-vis de la réduction de l’oxygène. Les potentialités des complexes organométalliques, et en particulier les phthalocyanines de nickel, ont été étudiés et appliquées à la construction d’une cathode pour biopile. Ainsi, une biopile hybride à deux compartiments a été construite en combinant une bioanode en mousse d’acier inoxydable modifiée par de l’oxyde de graphène réduite et une cathode en feutre de carbone modifiée avec de la phthalocyanine de nickel. La biopile microbienne ainsi construite utilise du lixiviat de terreau, comme source de microorganismes, pour le développement d’un biofilm électroactif à l’anode et présente une bonne stabilité dans le temps. Le graphène a permis d’obtenir une densité de puissance stable pendant une période 40 jours (24.8 mW/m² en présence d’oxygène pur). La cathode présentée dans ce travail a permis d’obtenir une densité de puissance supérieure à une cathode de platine (7.5 fois supérieur). Par ailleurs, un nouveau design de biopile à deux compartiments a été construit, afin de produire de l’électricité à partir d’une souche pure : Pseudomonas aeruginosa qui est connu pour la formation de biofilm électroactive. Un nouveau design a été proposé, permettant de travailler à alimentation constante et non plus en batch comme cela se fait de manière classique. Cette configuration permet de ne plus avoir de diminution de courant liée à un manque d’apport en carburant. Différents paramètres ont ainsi été explorés tel que le débit d’alimentation, la consommation en glucose dans le compartiment anodique, la variation de pH au cours du temps ainsi que l’évolution de la biomasse. Une première approche d’étude de corrélation de ces différents paramètres est proposée.

Microbial fuel cell (MFC) has been considered as a renewable energy source which uses bacteria to convert chemical energy into electricity. Since the anode, as the electron acceptor for the electroactive bacteria, directly interacts with microorganisms, the selection of high performance anode materials is of crucial importance in the design of a MFC. Recently, graphene has been considered as the intriguing material, attracting strong scientific and technological interest with great application potentials in various fields, such as lithium ion batteries, solar cells and electrochemical super-capacitors, for its unique nanostructure and extraordinary properties. Therefore, surface modification using reduced graphene oxide has been investigated for the construction of anodes. An abiotic cathode has also been investigated since it often has a kinetic limitation regarding the oxygen reduction reaction. The potential of the use of organometallics complexes, and more particularly nickel phthalocyanines (poly-NiTSPc), has been studied and applied to the fabrication of cathodes for biofuel cells applications. Thereby, a dual chamber hybrid MFC has been constructed combining a reduced graphene oxide modified bioanode with a chemical poly-NiTSPc modified carbon felt. This MFC uses compost garden leachate, as source of microorganisms, for the growth of an electroactive biofilm onto the anode and presents an excellent lifetime. Indeed, graphene allowed to obtain a power density stable for 40 fays (24.8 mW/m² with pure oxygen). When the modified carbon felt was used as cathode, the power densities obtained were 7.5 higher than the use of platinum cathode. Furthermore, a new design of a dual chamber MFC has been built up in order to work with a constant flow, to supply continuously substrates to the biofilm formed onto the anode from a pure strain, Pseudomonas aeruginosa, and to avoid to work in a batch as it is usually done. The interest of this configuration is to prevent any current loss due to a lack in supply of substrates. Using this bioreactor as a MFC, different parameters have been explored such as the feed rate and the glucose consumption in the anodic compartment, the evolution of the pH as well as the biomass between the entrance and the exit of the chamber. A first study of the correlation between all these parameters has been proposed., Les biopiles microbiennes sont des sources d’énergies renouvelables utilisant des bactéries qui convertissent une énergie chimique en électricité. Pour cela, l’anode doit collecter les électrons issus des microorganismes. La sélection d’un matériau d’anode possédant de grandes performances est d’une importance cruciale dans la construction d’une biopile microbienne. Le graphène est considéré comme un matériau prometteur avec de grandes possibilités d’application dans de nombreux domaines tels que les batteries Li-ion, les cellules photovoltaïques et les super condensateurs électrochimiques en raison de sa structure nanométrique. Ainsi, la modification de surface par de l’oxyde de graphène réduit a été appliquée à la construction d’anodes pour biopiles microbiennes. La cathode abiotique a aussi été étudiée puisqu’elle présente souvent une limitation cinétique vis-à-vis de la réduction de l’oxygène. Les potentialités des complexes organométalliques, et en particulier les phthalocyanines de nickel, ont été étudiés et appliquées à la construction d’une cathode pour biopile. Ainsi, une biopile hybride à deux compartiments a été construite en combinant une bioanode en mousse d’acier inoxydable modifiée par de l’oxyde de graphène réduite et une cathode en feutre de carbone modifiée avec de la phthalocyanine de nickel. La biopile microbienne ainsi construite utilise du lixiviat de terreau, comme source de microorganismes, pour le développement d’un biofilm électroactif à l’anode et présente une bonne stabilité dans le temps. Le graphène a permis d’obtenir une densité de puissance stable pendant une période 40 jours (24.8 mW/m² en présence d’oxygène pur). La cathode présentée dans ce travail a permis d’obtenir une densité de puissance supérieure à une cathode de platine (7.5 fois supérieur). Par ailleurs, un nouveau design de biopile à deux compartiments a été construit, afin de produire de l’électricité à partir d’une souche pure : Pseudomonas aeruginosa qui est connu pour la formation de biofilm électroactive. Un nouveau design a été proposé, permettant de travailler à alimentation constante et non plus en batch comme cela se fait de manière classique. Cette configuration permet de ne plus avoir de diminution de courant liée à un manque d’apport en carburant. Différents paramètres ont ainsi été explorés tel que le débit d’alimentation, la consommation en glucose dans le compartiment anodique, la variation de pH au cours du temps ainsi que l’évolution de la biomasse. Une première approche d’étude de corrélation de ces différents paramètres est proposée.

We believe that in the near future micro-robots or artificial implanted organs can replace failing essential organs. Lithium batteries of cardiac pacemakers are well adapted to operate for years into sick patients. However, for next generation energy intensive implanted devices, longevity and volumic power of these batteries have to be improved.We chose two biomimetic approaches to create bioinspired biofuel cells: the enzymatic biofuel cells generate electrical current from the oxidation and the reduction of organic or inorganic compounds. The biomimetic biofuel cell generate an electrical potential from ion transfer across a biomimetic membrane.The enzymatic biofuel.cells, utilizing glucose and oxygen, are theorically able to work almost indefinitely as their substrates are always present in the body fluids. However, the biocompatibility and the long-term performance of these biofuel cells for a human implantation remain a real bottleneck. This thesis describes the design and the implantation of of new enzymatic biofuel cells in different animal models. The implantation of such devices is challenging and we brought creative solutions with a physiological point of view by addressing biocompatibility problems and electrical measurement techniques. We are now capable to implant these biofuel cells in big animals by analyzing the performances of the biofuel cell in real time.This thesis initiates the biomimetic biofuel cell concept. It consists in membrane transport protein (i.e ion channels) incorporated in a biomimetic membrane. The building of a biomimetic device demonstrates the transformation of a NaCl gradient into a proton gradient. We also generate a 20 mV voltage with a 38 mm² flat membrane. This biomimetic membrane containing the NhaA sodium/ proton exchanger is stable for more than two weeks., On peut imaginer dans un futur proche que des micro-robots implantés pourront suppléer la défaillance de certaines fonctions essentielles. C’est déjà le cas avec les stimulateurs cardiaques dont les piles au lithium sont bien adaptées à leur fonctionnement pendant des années de vie du patient. Cependant, pour des systèmes plus gourmands en énergie, il convient d’améliorer la longévité et la puissance volumique de ces piles. La stratégie que nous avons choisie est basée sur une approche biomimétique et deux voies ont été suivies pour créer une biopile bioinspirée : les biopiles enzymatiques génèrent un courant électrique à partir de l’oxydation de molécules organiques et la réduction d’oxygène en eau. Les biopiles à base de membranes biomimétiques génèrent un potentiel électrique à partir du transfert d’ions au travers une membrane biomimétique.Les biopiles enzymatiques, qui utilisent par exemple le glucose et l’oxygène, sont théoriquement capables de fonctionner indéfiniment car ces substrats sont toujours présents dans l’organisme. Cependant, la biocompatibilité et la performance à long terme de ces biopiles restent des verrous pour leur mise en œuvre chez l’homme. Cette thèse décrit la conception et l’implantation de nouvelles biopiles enzymatiques chez différents modèles animaux. Leur implantation constitue un véritable défi technologique et nous amenons des solutions guidées par la physiologie en abordant les problèmes de biocompatibilité mais aussi de techniques de mesure électrique.Nous sommes maintenant capables d’implanter ces biopiles chez de gros animaux en analysant en temps réel les performances de la biopile implantée.Cette thèse développe également le concept de biopile à base de membranes biomimétiques. Il s’agit d’une biopile mettant en œuvre des protéines de transport (par exemple des canaux ioniques) insérées dans des membranes biomimétiques. Nous avons démontré la faisabilité de la transformation d’un gradient de NaCl en gradient de protons. Nous avons aussi réussi à générer une différence de potentiel de 20 millivolts avec une membrane plane de 38 mm². Cette membrane biomimétique, contenant l’échangeur sodium/proton NhaA, est stable pendant plus de 15 jours.