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It is necessary and emergent to reduce our dependence to fossil resource and to mitigate climate change. In this context, biomass becomes a strategic renewable resource, for the production of green energy, chemicals and high value materials. Lignocellulosic biomass is the most abundant non-edible feedstock for the synthesis of carbonaceous fuels or chemicals. One important fraction of lignocellulosic biomass is lignin, which is a highly heterogeneous aromatic macromolecule that resists bio-degradation to a much greater extent than cellulosic components. The pulp and paper industry is the largest producers of extracted lignin. Lignin is primarily treated as a by-product and it is valorized for heat and power production. However, this lignin has great potential for value-added development that can capitalize on the unique aromatic features of lignin to potentially replace certain types of petroleum-derived products. In this thesis, industrially available lignins were first characterized. The research focus is to depolymerize these lignins to monomers or oligomers of potential interest for biomaterials synthesis. Both reductive (under H2) and oxidative (O2) liquefaction atmospheres are presented. Among the most significant challenges with lignin liquefaction research is the effective characterization of the resulting liquid phase products. In order to address this issue, a novel analytical technique utilizing UV-fluorescence spectroscopy is introduced for rapid screening of lignin liquefaction products. This technique is assessed in conjunction with other analytical methods, which are compared and contrasted. Different catalysts, solvents (ethanol, NaOH) and conditions have been studied. A global process analysis including some technical-economical assessment gives the main process unit to improve for a better valorisation of lignins on a real case pulp & paper mill., Il est important de réduire notre dépendance aux ressources fossiles et le réchauffement climatique. Dans ce contexte, la biomasse est une ressource renouvelable stratégique pour la production d’énergie, de composés chimiques et de matériaux. La biomasse lignocellulosique est la biomasse non alimentaire la plus abondante. La lignine représente une fraction importante de cette biomasse. C’est une macromolécule avec des motifs variés principalement constitués de noyaux aromatiques. L’industrie de production de la pâte à papier produit une importante quantité de lignine qui est principalement valorisée par combustion pour produire de la chaleur et de l’électricité. Mais des composés à plus haute valeur ajoutée pourraient être produits à partir de la lignine comme notamment des composés aromatiques (phénols, etc.). Durant cette thèse, nous avons tout d’abord caractérisé des lignines techniques disponibles au niveau industriel. Puis, l’objectif est de dépolymériser ces lignines en monomères (phénols) ou oligomères en vue de produire des polymères à haute-valeur ajoutée. Nous avons étudié une dépolymérisation en milieu liquide (« liquéfaction ») en présence d’hydrogène ou d’oxygène. La liquéfaction produit une large gamme de composés qui est difficile à analyser. Nous avons proposé la fluorescence UV comme une technique rapide et simple pour analyser les liquides. Cette méthode d’analyse a été comparée à d’autres techniques comme la GPC ou le MALDI-TOFMS. Différents catalyseurs, solvants (eau/NaOH ou éthanol), conditions (températures) ont été testés. Les rendements en monomères restent faibles pour toutes ces conditions du fait du caractère très réticulé de ces lignines industrielles. Une modélisation globale du procédé est proposée pour évaluer les procédés de liquéfaction intégrés dans une unité Kraft de production de pâte à papier industrielle.

Eucalyptus is the most planted hardwood worldwide for many industrial end-uses such as pulp and paper and emerging biofuel production. The analysis of the Eucalyptus grandis genome led to many candidate genes involved in wood formation including key mediators of auxin signaling (Auxin/Indole-3-Acetic Acid (Aux/IAA) and Auxin Response Factor (ARF). The functional characterization of these candidate genes was hampered by the difficulty to general stable transgenic Eucalyptus and to knock out these genes. Taking advantage of rapid and efficient hairy root transformation mediated by A.rhizogenes, recently implemented by our team, the objectives of my work were to implement the powerful CRISPR/Cas9 gene editing tool and to use it to investigate the potential roles of three Eucalyptus auxin-dependent transcription factors (IAA9A, IAA20 and ARF5) in regulating wood formation. First, as a proof-of-concept for implementing CRISPR/Cas9, We targeted Cinnamoyl-CoA Reductase1 (CCR1), a key lignin biosynthetic gene whose down-regulation effects are well described in several plants. Almost all transgenic lines were edited but the allele-editing rates and profiles varied greatly depending on the genes targeted. Most edition events generated truncated proteins. The prevalent edition types were small deletions but large deletions were also observed. By using a combination of Fourier Transformed InfraRed (FT-IR) spectroscopy and multivariate analysis (partial least square analysis (PLS-DA), we showed that the CCR1-edited lines, which were clearly separated from the controls. The most discriminant wave-numbers were attributed to lignin. Histochemical analyses further confirmed the decreased lignification and the presence of collapsed vessels in CCR1-edited lines, which are characteristics of CCR1 deficiency. Although the efficiency of editing could be improved, the method described here is already a useful tool to functionally characterize eucalypts genes. In the second part of my work, we used this genome editing method to knock out two Aux/IAAs (IAA9A and IAA20) and one Auxin Response Factor (ARF5) in order to get more insights into the role of auxin in the regulation of wood formation in Eucalyptus. We generated transgenic Eucalyptus hairy root to overexpress and to knock out these genes. Unfortunately, all the transgenic plants overexpressing IAA9A and IAA20 (under the control of 35S promoter) died during the Covid19 lockdown period and only three IAA20-CRISPR lines survived. Therefore, we could only analyze CRISPR/Cas9 edited transgenic plants for two candidates (IAA9A and ARF5). Editing events were detected either by subcloning and/or webbased tools (DSDecode and ICE synthego). CRISPR/Cas9 generated IAA9A_lines had high knockout rates of 92.3% with 58.3% of biallelic mutations. In contrast, ARF5 lines had quite low editing rates (43%) showing monoallelic and chimera mutations. [...]; Les Eucalyptus sont les feuillus les plus plantés au monde pour les nombreuses utilisations industrielles de leurs bois tells que la pâte à papier et la production émergente de biocarburants. L'analyse du génome d'Eucalyptus grandis a conduit à l'identification de nombreux candidats impliqués dans la formation du bois, tells que des médiateurs clés de la signalization de l'auxine (Aux/IAA et Auxin Response Factor (ARF). La caractérisation fonctionnelle de ces gènes candidats a été retardée jusqu'à présent par la difficulté de supprimer leurs fonctions dans un système homologue. Pour pallier à cela, le premier objectif de mon travail a été de mettre au point le puissant outil d'édition de gènes "CRISPR/Cas9" en profitant de la transformation de "hairy roots" transgéniques médiée par A. rhizogenes, récemment développée dans l'équipe. Dans un deuxième temps, mon objectif était d'utiliser cette méthode d'édition de génome pour étudier les rôles potentiels de trois facteurs de transcription dépendant de l'auxine (IAA9A, IAA20 et ARF5) dans la formation du bois d'Eucalyptus. Premièrement, comme preuve de concept pour la mise en oeuvre de la technologie CRISPR/Cas9, nous avons ciblé la Cinnamoyl-CoA réductase1 (CCR1), un gène clé de la biosynthèse de la lignine dont les effets de "down-regulation" sont bien connus. Nous avons également utilisé le gène IAA9A comme cible. Presque toutes les lignées transgéniques ont été éditées, mais les taux et les profils d'édition alléliques variaient considérablement selon le gène ciblé. La plupart des événements d'édition ont généré des protéines tronquées. En utilisant une combinaison de spectroscopie à infrarouge transformée de Fourier (FT-IR) et d'analyse multivariée (PLS-DA), j'ai pu montrer que les lignées éditées pour CCR1, étaient clairement séparées des témoins. Les analyses histochimiques ont confirmé la diminution de la lignification et la présence de vaisseaux écrasés dans les lignées éditées pour CCR1, qui sont des caractéristiques de la déficience de ce gène. Bien que l'efficacité de l'édition puisse être améliorée, la méthode décrite ici est déjà un outil utile pour caractériser fonctionnellement des gènes chez l'Eucalyptus. Dans la deuxième partie de mon travail, j'ai utilisé cette méthode d'édition du génome pour muter deux Aux/IAAs (IAA9A et IAA20) ainsi que ARF5 afin de mieux appréhender le rôle de l'auxine dans la régulation de la formation du bois chez l'Eucalyptus. J'ai généré des "hairy roots" soit pour surexprimer ces gènes, soit pour les muter par CRISPR/Cas9. Malheureusement, toutes les plantes transgéniques surexprimant IAA9A et IAA20 (sous le contrôle du promoteur CaMV35S) sont mortes pendant la période de confinement liée au Covid19 et seules trois lignées CRISPR-IAA20 ont survécu. Par conséquent, je n'ai pu analyser que des plantes transgéniques éditées pour deux candidats. Les lignées IAA9A générées par CRISPR/Cas9 présentaient des taux de knock-out élevés de 92,3% avec 58,3% de mutations bialléliques. En revanche, les lignées ARF5 avaient des taux d'édition assez faibles (43%) et des mutations monoalléliques et/ou chimériques.[...]

Lignin is the second most abundant biopolymer on earth and it consists of highly-branched, three dimensional aromatic structures with variety of functional groups, mainly phenolic and alcoholic functions. This research work was focused on derivatization methods to quantify hydroxyl groups in lignins and to determine lignin molar mass distribution by size-exclusion chromatography coupled to multi-detectors. Five different technical lignins were studied: Protobind 1000, Organosolv (CIMV), Pine Kraft, Eucalyptus Kraft and Indulin. Lignin samples were washed and derivatized by classical acetylation, which was compared to fluoro-derivatization using the new methods developed in this work, such as fluorobenzylation and fluorobenzoylation. Hydroxyl groups present in the lignin samples were quantified by potentiometric and conductometric titrations, GC-aminolysis, IR and differential UV spectroscopies and NMR spectroscopy (1H, 13C, 19F and 31P). Molar mass distributions of derivatized lignins were calculated using different columns and solvents (DMAc and THF). Conventional calibration, using different standard polymers as calibrants, was compared to the so-called “universal calibration method”, which uses viscometric and refractometric detectors. Fluoro-derivatization enhanced lignin solubility in THF and improved chromatographic results. Universal calibration led to about three times higher molar mass values than by conventional calibration.; La lignine, deuxième biopolymère le plus abondant sur Terre, possède une structure aromatique tridimensionnelle hautement ramifiée, porteuse de différents groupements fonctionnels, principalement alcooliques et phénoliques. Le travail de recherche a porté sur les méthodes de dérivation chimique de la lignine permettant de quantifier les hydroxyles et de déterminer les distributions de masses molaires des lignines par chromatographie d’exclusion stérique et multi-détection. Cinq lignines techniques ont été étudiées : Protobind 1000, Organosolv (CIMV), lignine Kraft de pin, lignine Kraft d’Eucalyptus et lignine Indulin. L’acétylation, méthode classique de dérivation des hydroxyles, a été comparée aux nouvelles méthodes de fluoro-dérivation développées durant l’étude (fluorobenzylation et fluorobenzoylation). Les fonctions hydroxyle ont été quantifiées par titrages conductimétriques et potentiométriques, aminolyse-GC, spectrométries IR et UV- différentielle, et spectrométrie RMN (1H, 13C, 19F et 31P). La distribution des masses molaires des lignines dérivées a été déterminée en utilisant différentes colonnes et solvants (DMAc et THF). La méthode d’étalonnage standard, utilisant différents polymères standards de calibration, et la méthode dite “d’étalonnage universel”, utilisant la détection viscosimétrique couplée à la réfractométrie, ont été comparées. La fluoro-dérivation augmente la solubilité de la lignine dans le THF et améliore les résultats chromatographiques. L'étalonnage universel conduit à environ trois fois les valeurs de masses molaires calculées par étalonnage standard.

Lignin is the second most abundant biopolymer on earth and it consists of highly-branched, three dimensional aromatic structures with variety of functional groups, mainly phenolic and alcoholic functions. This research work was focused on derivatization methods to quantify hydroxyl groups in lignins and to determine lignin molar mass distribution by size-exclusion chromatography coupled to multi-detectors. Five different technical lignins were studied: Protobind 1000, Organosolv (CIMV), Pine Kraft, Eucalyptus Kraft and Indulin. Lignin samples were washed and derivatized by classical acetylation, which was compared to fluoro-derivatization using the new methods developed in this work, such as fluorobenzylation and fluorobenzoylation. Hydroxyl groups present in the lignin samples were quantified by potentiometric and conductometric titrations, GC-aminolysis, IR and differential UV spectroscopies and NMR spectroscopy (1H, 13C, 19F and 31P). Molar mass distributions of derivatized lignins were calculated using different columns and solvents (DMAc and THF). Conventional calibration, using different standard polymers as calibrants, was compared to the so-called “universal calibration method”, which uses viscometric and refractometric detectors. Fluoro-derivatization enhanced lignin solubility in THF and improved chromatographic results. Universal calibration led to about three times higher molar mass values than by conventional calibration., La lignine, deuxième biopolymère le plus abondant sur Terre, possède une structure aromatique tridimensionnelle hautement ramifiée, porteuse de différents groupements fonctionnels, principalement alcooliques et phénoliques. Le travail de recherche a porté sur les méthodes de dérivation chimique de la lignine permettant de quantifier les hydroxyles et de déterminer les distributions de masses molaires des lignines par chromatographie d’exclusion stérique et multi-détection. Cinq lignines techniques ont été étudiées : Protobind 1000, Organosolv (CIMV), lignine Kraft de pin, lignine Kraft d’Eucalyptus et lignine Indulin. L’acétylation, méthode classique de dérivation des hydroxyles, a été comparée aux nouvelles méthodes de fluoro-dérivation développées durant l’étude (fluorobenzylation et fluorobenzoylation). Les fonctions hydroxyle ont été quantifiées par titrages conductimétriques et potentiométriques, aminolyse-GC, spectrométries IR et UV- différentielle, et spectrométrie RMN (1H, 13C, 19F et 31P). La distribution des masses molaires des lignines dérivées a été déterminée en utilisant différentes colonnes et solvants (DMAc et THF). La méthode d’étalonnage standard, utilisant différents polymères standards de calibration, et la méthode dite “d’étalonnage universel”, utilisant la détection viscosimétrique couplée à la réfractométrie, ont été comparées. La fluoro-dérivation augmente la solubilité de la lignine dans le THF et améliore les résultats chromatographiques. L'étalonnage universel conduit à environ trois fois les valeurs de masses molaires calculées par étalonnage standard.

International audience; The conversion of poplar wood biomass to highly value-added chemicals and molecular building blocks was achieved by using the dispersed mixed oxide Zn3V2O8 (ZVO) in water under 100 kPa of 10% O-2/N-2 at 160, 180, and 200 degrees C for 4 h. This nanostructured mixed oxide was prepared via the precipitation process and then characterized by several techniques. The results showed that this mixed oxide has interesting catalytic properties and is a versatile catalyst for biomass delignification and lignin and hemicellulose depolymerization. ZVO exhibited high activity on poplar biomass delignification and fractionation (degree delignification > 97%) and lignin and holocellulose conversion with high yield into aromatic and furan compounds (80 mg/g initial wood at 200 degrees C), with high selectivities for 5-hydroxymethylfurfural (HMF) (25 mg/g of initial wood), vanillin, and syringaldehyde.

Scientific and market researches are developed to replace the non-renewable fossil resources with renewable raw materials, and to reduce and valorise the industrial waste in order to develop new innovative green materials. Conversion of lignocellulose during acid-catalysed hydrolysis process leads to the valorisation of this biomass into value added chemical building blocks (HMF, FF, LA, etc.), but also provoke the formation of a dark-coloured by-product called humins. Feathers represent around 5‒7% of the corporal mass of an adult chicken, being one of the main wastes generated by the poultry industry. Knowing that the chicken feathers consist of 91% keratin, this side-product can be an important renewable source used as alternative for fossil derivative materials. The main objective of this thesis was the valorisation of humins and of chicken feathers in order to develop eco-friendly materials. Firstly, humins-based resins have been designed with modulable properties from elastic to rigid. Then, these humins-based resins were used for composites production with chicken feathers and lignin as bio-fillers. Thereafter, to produce fully bio-based thermoset resins, humins were copolymerized with phloroglucinol diglycidyl ether, a green epoxy comonomer from algae. Moreover, recyclable bio-based composites were developed by reinforcing humins-based thermoset resins with various natural non-woven fibers such as chicken feathers and vegetable fibers in order to develop eco-friendly materials for automotive industry. Finally, bio-based thermoset materials based on resorcinol diglycidyl ether, an aromatic epoxy compound derived from wood, and chicken feathers or lignin were developed. The studies developed in this thesis propose the synthesis, elaboration and characterization of several bio-resins and bio-composites fulfilling the criteria and requirements asked for an industrial valorisation., Des études scientifiques et industrielles sont axées pour remplacer les ressources fossiles par des matières premières renouvelables, pour réduire et valoriser les déchets industriels afin de développer de nouveaux matériaux verts et innovants. La conversion de la lignocellulose en bioraffineries par hydrolyse acide permet la valorisation de cette biomasse en produits plateforme à valeur ajoutée (HMF, FF, LA, etc.), mais provoque également la formation d'un sous-produit : les humines. Les plumes représentent de 5 à 7% de la masse corporelle d'un poulet adulte, étant l'un des principaux déchets générés par l'industrie de la volaille. Sachant que les plumes de poulet sont composées à 91% de kératine, ce déchet peut devenir une source renouvelable importante et utilisée comme alternative aux matières premières fossiles. L'objectif principal de cette thèse fut la valorisation des humines et des plumes de poulet afin de développer des matériaux « durables ». Tout d'abord, des résines à base d'humines ont été conçues, ayant des propriétés variant de flexibles au rigides. Ensuite, ces résines à base d'humines ont été utilisées comme matrice pour préparer de matériaux composites avec des plumes de poulet et de la lignine comme biocharges. Par la suite, des résines thermodurcissables entièrement biosourcées ont été synthétisées par la copolymérisation des humines avec le phloroglucinol diglycidyl éther, un monomère époxy obtenu à partir d'algues. De plus, des composites biosourcés recyclables ont été développés en renforçant les résines thermodurcissables à base d'humines avec diverses fibres non tissées comme les plumes de poulet ou les fibres végétales. Enfin, des matériaux thermodurcis biosourcés à base de diglycidyl éther de résorcinol et de plumes de poulet ou de lignine ont été élaborés. Les études réalisées dans cette thèse proposent la synthèse, l'élaboration et la caractérisation de plusieurs bio-résines et bio-composites répondant aux critères et exigences demandés pour une valorisation industrielle.

Background Lignocellulosic biomass is a complex network of polymers making the cell walls of plants. It represents a feedstock of sustainable resources to be converted into fuels, chemicals and materials. Because of its complex architecture, lignocellulose is a recalcitrant material that necessitates some pretreatments and several types of catalysts to be transformed efficiently. In particular, enzymes degrading lignocellulose can become inactivated due to their binding to lignin through non-specific interactions, leading to a loss in catalytic efficiency of industrial processes. Gaining more knowledge in the strength of interactions would allow optimizing enzymes and selecting appropriate pretreatments. Results Measuring interactions directly in plant cell wall can theoretically be performed using confocal fluorescence techniques by evaluating fluorescence resonance energy transfer (FRET) between compatible fluorophores. In this study, autofluorescence of plant cell wall, mainly originating from lignin, was considered as a donor fluorophore while the acceptor was a common rhodamine-based fluorescent probe. To overcome complex plant cell wall fluorescence, which limits FRET analysis by standard techniques, we have developed an original approach, combining spectral and lifetime measurements. It consists in (1) dissecting autofluorescence signal in each spectral channel, (2) optimizing spectral channel choice for lifetime measurements and (3) achieving an unambiguous FRET signature with an autofluorescent donor fluorophore. Interactions between rhodamine-based probes of various sizes and untreated or pretreated wheat sample were evaluated, showing it was possible to discriminate interactions at the nano-scale, revealing some accessibility differences and the effect of pretreatment. Conclusions SLiM measurement allows precise estimation of the optimal spectral range for FRET measurement. SLiM response allows for the first time doubtless FRET measurements between lignin as a donor, and an acceptor fluorophore with high accuracy and sensitivity related to lifetime decrease studies. As demonstrated, it thus becomes possible to measure interactions of fluorescent probes directly inside plant cell wall samples. This approach can thus be applied to various fields such as lignocellulose deconstruction to optimize the action of enzymes or plant cell wall development to assay in situ the biosynthesis of lignin. Electronic supplementary material The online version of this article (10.1186/s13007-018-0342-3) contains supplementary material, which is available to authorized users.

The depletion of the non-renewable sources of energy and materials, also known as fossil fuels, is an issue well known nowadays. Thereby, the replacement of these sources of energy and materials by others of renewable nature has become a crucial point to ensure the sustainability of the current production system. In this respect, focusing more specifically in the field of materials, solid-wood and wood-based products play currently a significant role in buildings and interior fittings due to their structural, mechanical and environmental properties. However, wood is also known for being vulnerable against different agents, e.g. fire exposure. In this context, the development of state-of- the-art fireproofing treatments for wood and wood-based products has turned into a subject of considerable importance. Within the different existing methods, the employment of intumescent coatings is considered the most practical and efficient one for the protection of wood against fire. This type of coatings are products, which are generally based on synthetic resins at the industrial level. Among the resins available in the market, the phenolic resins are one of the most utilized. Nevertheless, their main disadvantage is that they are produced based on non-renewable compounds such as phenol and formaldehyde. Moreover, these compounds are highly toxic for human health. Consequently, the substitution of these constituents by others of renewable nature presents a great relevance. Lignin and tannins are two families of polyphenolic compounds widely abundant in nature. Thus, the replacement of phenol and formaldehyde by these types of compound would allow the synthesis of biosourced phenolic resins, environmentally friendly and with properties similar to those of the products existing in the market. Thereby, phenol was substituted by wood derived products such as lignin and tannins, which were obtained from agroforestal residues. On the other side, glyoxal (nontoxic aldehyde) was used instead formaldehyde. The enhancement of the thermal properties of the coating was achieved by introducing an inorganic phase into the polymeric matrix. For this purpose, natural flame-retardants like montmorillonite or silicates in nanoscale were implemented.Different formulation of the resins were tested as wood coating to assess their compatibility with wood and therefore select the one with the better performance. Several analyses were carried out on the coated-wood samples to evaluate the protection of wood against fire. On the one hand, it was seen a reduction of the heat released during combustion. On the other hand, the mass loss experienced during fire exposure was diminished and the flame propagation was delayed as well. These results were more notable in the hardwood species compared to softwood.; L’épuisement des sources d’énergie et des matériaux non-renouvelables est bien connue de nos jours. De ce fait, leur remplacement par des ressources d’origine renouvelable est devenu un point crucial pour assurer la durabilité du système productif actuel. A cet égard, et plus particulièrement dans le domaine des matériaux, le bois massif et les produits dérivés du bois jouent un majeur rôle, notamment dans les secteurs de la construction et de l’aménagement intérieur en raison de leurs propriétés structurelles, mécaniques et environnementales. Cependant, le bois est également connu pour sa vulnérabilité du bois face à différents agents de dégradation tels que le feu par exemple. Parmi les différentes approches existantes dans le domaine de la protection du bois contre le feu, l’utilisation de revêtements intumescents est considérée comme étant le choix le plus pratique, rentable et efficient pour la protection de bois contre le feu. Ces types de revêtements sont normalement produits industriellement à base de résines synthétiques. Parmi les différentes résines présentes sur le marché, les résines phénoliques sont unes des plus utilisées. Néanmoins, elles présentent l’inconvénient d’être élaborées à base des composants chimiques d’origine non renouvelable comme le phénol et le formaldéhyde, qui sont de plus hautement toxiques pour la santé. Dans ce contexte, la substitution de ces deux constituants par des composés biosourcés et la mise au point de traitements ignifuges d’origine renouvelable pour protéger le bois et produits à base de bois est devenu un sujet de grande pertinence. La lignine et les tanins sont deux composants polyphénoliques abondantes dans la nature susceptible de remplacer le phénol et le formaldéhyde permettrait l’élaboration résines phénoliques plus respectueuses de l’environnement ayant des propriétés similaires à celles existant sur le marché. C’est avec cet objectif que les travaux ont été développés et orientés dans le cadre de cette thèse. Ainsi, d’une part la lignine et les tanins ont été employés en tant que substituts du phénol. Et d’autre part, le formaldéhyde a été remplacé par le gyoxal qui est un composé non toxique de la famille des aldéhydes. De plus, une phase inorganique a été introduite dans la matrice polymérique afin d’améliorer les propriétés thermiques du revêtement. À cette fin, des retardateurs de flamme naturels tels que la montmorillonite (argile) ou les nanosilicates ont été employés. Différentes formulations de résines ont été élaborées afin d’évaluer leur compatibilité avec bois et donc de sélectionner la plus performant. Les différentes analyses menées sur les échantillons de bois revêtu de la résine ont montré de bons résultats concernant la protection contre le feu. D’un part, une réduction du dégagement de chaleur a été confirmé pendant la combustion. Une baisse de la perte de masse des échantillons ainsi qu’un retard dans la propagation des flammes ont été observés après l’exposition au feu. Ces résultats étaient plus notables chez les espèces de bois de feuillu par rapport au bois de résineux.

International audience; Variability in the chemical composition of 614 species is described in a database containing measurements of wood polymers (cellulose, lignin andpentosan), as well as overall extraneous components (ethanol-benzene, or hot water extracts and ash, with a focus on silica content). These measurements were taken between 1945 and 1990 using the same standard protocol. In all, 1,194 trees belonging to 614 species, 358 genera and 89 families were measured. At species level, variability (quantified by the coefficient of variation) was rather high for density (27%), much lower for lignin and cellulose (14% and 10%) and much higher for ethanol/benzene extractives, hot water extractives and ash content (81%, 60% and 76%). Considering trees with at least five different specimens, and species with at least 10 different trees, it was possible to investigate within-tree and withinspecies variability. Large differences were found between trees of a given species for extraneous components, and more than one tree should be needed per species. For density, lignin, pentosan and cellulose, the distribution of values was nearly symmetrical, with mean values of 720 kg/m3 for density, 29.1% for lignin, 15.8% for pentosan, and 42.4% for cellulose. There were clear differences between species for lignin content. For extraneous components, the distribution was very dissymmetrical, with a minority of woods rich in this component composing the high value tail. A high value for any extraneous component, even in only one tree, is sufficient to classify the species in respect of that component. Siliceous woods identified by silica bodies in anatomy have a very high silica content and only those species deserve a silica study.; La variabilité de la composition chimique de 614 espèces est décrite dans une base de données contenant des mesures de polymères du bois (cellulose, lignine et pentosane), ainsi que de l’ensemble des composants externes (extraits éthanolbenzéne ou à l’eau chaude et cendres, en particulier la teneur en silice). Ces mesures ont été effectuées entre 1945 et 1990 selon le même protocole standard. Au total, 1 194 arbres appartenant à 614 espèces, 358 genres et 89 familles ont été mesurés. La variabilité entre les espèces (quantifiée par le coefficient de variation) était plutôt élevée pour la densité (27 %), beaucoup plus faible pour la lignine et la cellulose (14 % et 10 %) et beaucoup plus élevée pour les extractibles éthanol/benzène, les extractibles à l’eau chaude et les cendres (81 %, 60 % et 76 %). En considérant des arbres avec au moins cinq spécimensdifférents et des espèces avec au moins 10 arbres différents, il a été possible d’étudier la variabilité intra-arbre et intraespèce. De grandes différences ont été constatées entre les arbres d’une espèce donnée pour les composants externes, et plus d’un arbre devrait être nécessaire par espèce. Pour la densité, la lignine, le pentosane et la cellulose, la distribution des valeurs était presque symétrique, avec des valeurs moyennes de 720 kg/m3 pour la densité, 29,1 % pour la lignine, 15,8 % pour le pentosane et 42,4 % pour la cellulose. La teneur en lignine variait nettement d’une espèce à l’autre. Pour les composants externes, la distribution était très dissymétrique, avec une minorité de bois riches en ce composant constituant la queue de valeurs élevées. Une valeur élevée pour tout composant externe, même dans un seul arbre, est suffisante pour classer l’espèce à l’égardde ce composant. Les bois siliceux identifiés par les cristaux de silice en anatomie ont une teneur très élevée en silice et seules ces espèces méritent une étude sur la silice.

Due to the depletion of fossil resources, the interest of lignin as a sustainable alternative to petroleum is growing. Thus, the main purpose of this thesis was to develop a process for oxidative cleavage of lignin by dioxygen that involves unconventional methodologies like sonochemistry and ball-milling. The catalysts used here were KEGGIN molybdovanadophosphates (PMoVx). First, the operating conditions (solvent, catalytic charge and vanadium content) were optimized to afford the cleavage of two models, 2-phenoxyacetophenone (K1HH) and 2-phenoxy-1-phenylethanol (A1HH), at atmospheric O2 pressure, into phenol, benzaldehyde and benzoic acid. For A1HH, harsher conditions were found to be necessary (O2 5 bar, 120°C). The catalysts were conventionally synthesized using a hydrothermal pathway, which consists in the H3PO4 attack of MoO3 and V2O5 in reflux water. A long heating period is often required to get moderate yields of PMoVx. Ball-milling synthesis was therefore considered. It consisted in preparing a mixed oxide by grinding MoO3 and V2O5. The latter's attack by H3PO4 was then shorter, took place at a lower temperature and resulted in higher yields of PMoVx. The activity of thus obtained PMoVx for model cleavage was similar to that of their hydrothermally synthesized counterparts. Preliminary tests on an Organosolv lignin from wheat straw under optimized conditions yielded low yields of cleavage products. Sonochemical assistance was therefore tested showing, in the case of A1HH, that a low frequency in conjunction with dioxygen bubbling was the best option.; Du fait de l'épuisement des ressources fossiles, l'intérêt de la lignine en tant qu'alternative durable est grandissant. Ainsi, le but principal de cette thèse était de mettre au point un procédé de clivage oxydant de la lignine par le dioxygène qui implique des voies non conventionnelles (sonochimie, ball-milling). Les catalyseurs utilisés sont des molybdovanadophosphates de KEGGIN. D'abord, nous avons optimisé les conditions opératoires (solvant, charge catalytique et taux de vanadium) pour le clivage, à pression atmosphérique de deux modèles, i. e. 2-phénoxyacétophénone (K1HH) et le 2-phénoxy-1-phenyléthanol (A1HH) en phénol, en benzaldéhyde et en acide benzoïque. Pour A1HH, des conditions plus dures se sont avérées être nécessaires (O2 5 bar, 120°C). Le catalyseur est synthétisé conventionnellement par la voie hydrothermale qui consiste à attaquer MoO3 et V2O5 dans l'eau à reflux en présence de H3PO4. Une longue durée de chauffage est souvent requise pour des rendements modérés. La synthèse par ball-milling a donc été envisagée. Elle consiste à préparer un oxyde mixte par broyage. L'attaque de ce dernier est alors plus courte, se déroule à plus faible température et donne lieu à des rendements en catalyseur plus élevés. Leur activité pour le clivage des modèles est similaire à celle de leurs homologues synthétisés par voie hydrothermale. Des tests préliminaires sur une lignine Organosolv issue de la paille de blé dans des conditions optimisées ont donné des faibles rendements en produits de clivage. L'assistance sonochimique a donc été testée montrant, dans le cas de A1HH, qu'une basse fréquence en conjonction avec un bullage de dioxygène constitue la meilleure option

A grass soda technical lignin (PB1000) underwent a process combining solvent fractionation and treatment with an ionic liquid (IL), and a comprehensive investigation of the structural modifications was performed by using high-performance size-exclusion chromatography, P-31 NMR spectroscopy, thioacidolysis, and GC-MS. Three fractions with distinct reactivity were recovered from successive ethyl acetate (EA), butanone, and methanol extractions. In parallel, a fraction deprived of EA extractives was obtained. The samples were treated with methyl imidazolium bromide ([HMIM]Br) by using either conventional heating or microwave irradiation. The treatment allowed us to solubilize 28 % of the EA-insoluble fraction and yielded additional free phenols in all the fractions, as a consequence of depolymerization and demethylation. The gain of the combined process in terms of antioxidant properties was demonstrated through 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH.) radical-scavenging tests. Integrating further IL safety-related data and environmental considerations, this study paves the way for the sustainable production of phenolic oligomers competing with commercial antioxidants.

National audience; In this study, fiberboards were produced from shives collected after continuous fiber mechanical extraction from oleaginous flax straw. Fiberboards were produced through thermo-pressing, and their mechanical and thermo-mechanical properties were studied, as well as their water resistance. The influence of one pretreatment for shives and lignin addition was investigated on the different properties. Boards obtained were all cohesive hardboards. The optimal board was obtained from fibers extruded from shives and without addition of any supplementary lignin amount. Looking at its characteristics and standard NF EN 312, the latter perfectly complied with the requirements for type P1 boards, i.e. boards for general uses in dry conditions.; Dans cette étude, des panneaux agglomérés de fibres ont été produits à partir d’anas collectés après extraction mécanique des fibres libériennes de paille de lin oléagineux. Les panneaux ont été mis en oeuvre par thermopressage. Leurs propriétés mécaniques et thermo-mécaniques ont été étudiées ainsi que leur comportement vis-à-vis de l’eau. L’influence d’un prétraitement thermo-mécanique des anas bruts à l’aide d’une extrudeuse bi-vis a été étudiée ainsi que l’ajout de lignine exogène. Tous les panneaux mis en oeuvre possèdent une tenue suffisante pour être manipulés à la main. Le panneau ayant obtenu les propriétés optimales a été obtenu à partir des anas extrudés et sans ajout supplémentaire de lignine. Au regard de ses caractéristiques et du standard NF EN 312, ce dernier remplit complètement les critères d’un panneau aggloméré de type P1 (panneau d’usage général utilisé en milieu sec).

International audience; Variability in the chemical composition of 614 species is described in a database containing measurements of wood polymers (cellulose, lignin andpentosan), as well as overall extraneous components (ethanol-benzene, or hot water extracts and ash, with a focus on silica content). These measurements were taken between 1945 and 1990 using the same standard protocol. In all, 1,194 trees belonging to 614 species, 358 genera and 89 families were measured. At species level, variability (quantified by the coefficient of variation) was rather high for density (27%), much lower for lignin and cellulose (14% and 10%) and much higher for ethanol/benzene extractives, hot water extractives and ash content (81%, 60% and 76%). Considering trees with at least five different specimens, and species with at least 10 different trees, it was possible to investigate within-tree and withinspecies variability. Large differences were found between trees of a given species for extraneous components, and more than one tree should be needed per species. For density, lignin, pentosan and cellulose, the distribution of values was nearly symmetrical, with mean values of 720 kg/m3 for density, 29.1% for lignin, 15.8% for pentosan, and 42.4% for cellulose. There were clear differences between species for lignin content. For extraneous components, the distribution was very dissymmetrical, with a minority of woods rich in this component composing the high value tail. A high value for any extraneous component, even in only one tree, is sufficient to classify the species in respect of that component. Siliceous woods identified by silica bodies in anatomy have a very high silica content and only those species deserve a silica study.; La variabilité de la composition chimique de 614 espèces est décrite dans une base de données contenant des mesures de polymères du bois (cellulose, lignine et pentosane), ainsi que de l’ensemble des composants externes (extraits éthanolbenzéne ou à l’eau chaude et cendres, en particulier la teneur en silice). Ces mesures ont été effectuées entre 1945 et 1990 selon le même protocole standard. Au total, 1 194 arbres appartenant à 614 espèces, 358 genres et 89 familles ont été mesurés. La variabilité entre les espèces (quantifiée par le coefficient de variation) était plutôt élevée pour la densité (27 %), beaucoup plus faible pour la lignine et la cellulose (14 % et 10 %) et beaucoup plus élevée pour les extractibles éthanol/benzène, les extractibles à l’eau chaude et les cendres (81 %, 60 % et 76 %). En considérant des arbres avec au moins cinq spécimensdifférents et des espèces avec au moins 10 arbres différents, il a été possible d’étudier la variabilité intra-arbre et intraespèce. De grandes différences ont été constatées entre les arbres d’une espèce donnée pour les composants externes, et plus d’un arbre devrait être nécessaire par espèce. Pour la densité, la lignine, le pentosane et la cellulose, la distribution des valeurs était presque symétrique, avec des valeurs moyennes de 720 kg/m3 pour la densité, 29,1 % pour la lignine, 15,8 % pour le pentosane et 42,4 % pour la cellulose. La teneur en lignine variait nettement d’une espèce à l’autre. Pour les composants externes, la distribution était très dissymétrique, avec une minorité de bois riches en ce composant constituant la queue de valeurs élevées. Une valeur élevée pour tout composant externe, même dans un seul arbre, est suffisante pour classer l’espèce à l’égardde ce composant. Les bois siliceux identifiés par les cristaux de silice en anatomie ont une teneur très élevée en silice et seules ces espèces méritent une étude sur la silice.

Genetic engineering is a powerful tool to steer bio-oil composition towards the production of speciality chemicals such as guaiacols, syringols, phenols, and vanillin through well-defined biomass feedstocks. Our previous work demonstrated the effects of lignin biosynthesis gene modification on the pyrolysis vapour compositions obtained from wood derived from greenhouse-grown poplars. In this study, field-grown poplars downregulated in the genes encoding CINNAMYL ALCOHOL DEHYDROGENASE (CAD), CAFFEIC ACID O-METHYLTRANSFERASE (COMT) and CAFFEOYL-CoA O-METHYLTRANSFERASE (CCoAOMT), and their corresponding wild type were pyrolysed in a Py-GC/MS. This work aims at capturing the effects of downregulation of the three enzymes on bio-oil composition using principal component analysis (PCA). 3,5-methoxytoluene, vanillin, coniferyl alcohol, 4-vinyl guaiacol, syringol, syringaldehyde, and guaiacol are the determining factors in the PCA analysis that are the substantially affected by COMT, CAD and CCoAOMT enzyme downregulation. COMT and CAD downregulated transgenic lines proved to be statistically different from the wild type because of a substantial difference in S and G lignin units. The sCAD line lead to a significant drop (nearly 51%) in S-lignin derived compounds, while CCoAOMT downregulation affected the least (7–11%). Further, removal of extractives via pretreatment enhanced the statistical differences among the CAD transgenic lines and its wild type. On the other hand, COMT downregulation caused 2-fold reduction in S-derived compounds compared to G-derived compounds. This study manifests the applicability of PCA analysis in tracking the biological changes in biomass (poplar in this case) and their effects on pyrolysis-oil compositions., Graphical Abstract Unlabelled Image

International audience; Uranium (U) is a naturally occurring radionuclide that is toxic for plants. The aim of this study was to gain insights into the physiological and cellular responses of roots to U stress. We analyzed the effects of uranyl nitrate on the architecture and physiology of Arabidopsis thaliana roots using different staining procedures and reporter genes. Also, we examined the homeostasis of inorganic phosphate (Pi) and Fe during U stress. We showed that, at a sub-toxic dose, U stimulated the apex mitotic activity, resulting in improved primary root growth and reduced secondary root formation. At a toxic level, U arrested primary root growth and increased the formation of secondary and higher-order lateral roots. U stress was linked with a depletion of Pi and a redistribution of Fe in root tissues, together with the production of ROS and nitric oxide. Also, U triggered the deposition of the defense polymers callose and lignin. These results showed that part of the radionuclide effects are linked with the signaling cascade of Pi sensing in the root apex. Other mechanisms involved in U toxicity are likely related to perturbations of Fe homeostasis and direct deleterious effects of U on root components.

Nowadays, due to the fossil fuels depletion and environmental concerns, transformation of lignocellulosic biomass is becoming a great challenge in order to provide biofuels and biochemicals in a near future. Lignin, which accounts for nearly 30 wt% of lignocellulosic biomass, is the most relevant and abundant bio-resource to produce aromatic compounds because of its original polymeric structure composed by phenylpropane units with ether linkages. In this context, the use of lignin as a precursor of aromatic compounds attracts lots of attention thanks to its low cost and high availability in pulp industry or bio-refinery. In the literature, it appears that an interesting thermochemical method for obtaining high yields of liquid products was the catalytic hydroconversion of lignin. The aim of this work was to investigate the reaction scheme of the catalytic process and develop a kinetic model for catalytic lignin hydroconversion over a sulfided CoMoS/Al2O3. In the first part of this work, kinetic measurements were carried out in a H-donor solvent (tetralin) at 350 °C and 80 bar using a semi-continuous batch reactor, which is opened for gas phase with continuous supply of H2 and equipped with a condensing reflux followed by cooled traps. The recovered products were isolated in four fractions: gases (methane, carbon dioxide, light hydrocarbons, etc.), organic liquid (phenols, aromatics, naphthenes, etc.), THF-soluble and THF-insoluble residues. Thanks to several appropriate analytical tools (GPC, NMR, GCXGC, etc.), the evolution of these different fractions as a function of reaction time was followed in order to understand the transformations occurring during the conversion. Accordingly, a lumped reaction network was established based on the observed reaction schemes. The second part of this work was dedicated to the development of a parameterized kinetic model allowing to have a mathematical description for each reaction step involved in the lignin hydroconversion. Firstly, physical phenomena involved (the gas hydrodynamic behavior of our set-up, the vapor-liquid equilibrium of mixtures and the liquid-gas mass transfer) were characterized. Subsequently, a complete reactor model was constructed by coupling the suitable chemical kinetics and these physical characterizations. Taking the gathered experimental data as a basis, reliable kinetic parameters (rate constants and stoichiometric coefficients) for each reaction step were obtained by means of non-linear regression technique. The resulting model allows us to have an in-depth understanding of the lignin conversion process, De nos jours, en raison de l'épuisement des combustibles fossiles et des préoccupations environnementales, la transformation de la biomasse lignocellulosique devient un gros challenge pour fournir des biocarburants et des bioproduits dans un futur proche. La lignine, qui représente près de 30 %pds de la biomasse lignocellulosique, est la bioressource la plus pertinente et la plus abondante pour produire des composés aromatiques grâce à sa structure polymérique composée d’unités phénylpropane avec des liaisons éthers. Dans ce contexte, l’utilisation de la lignine en tant que précurseur de composés aromatiques suscite beaucoup d’attention de par son faible coût et sa haute disponibilité puisque co-produit dans l’industrie papetière ou les bio-raffineries. Dans la littérature, il apparaît que l'hydroconversion catalytique de la lignine constitue une méthode thermochimique intéressante pour obtenir des rendements élevés en produits liquides. Le but de ce travail était d'étudier les processus réactionnels lors de ce procédé et de développer un modèle cinétique pour l'hydroconversion catalytique de la lignine sur un catalyseur sulfure (CoMoS/Al2O3). Dans la première partie de ce travail, des mesures cinétiques ont été effectuées dans un solvant donneur d’hydrogène (tétraline) à 350 °C et 80 bar en utilisant un réacteur semi-continu, ouvert en phase gazeuse avec l’alimentation continue en H2 et équipé d’un condenseur à reflux et de pièges refroidis. Les produits récupérés ont été isolés en quatre fractions : gaz (méthane, dioxyde de carbone, hydrocarbures légers, etc.), liquide organique (phénols, aromatiques, naphtènes, etc.), résidus solubles dans le THF et insolubles dans le THF. Grâce à plusieurs outils analytiques appropriés (GPC, RMN, GCXGC, etc.), l'évolution et la composition de ces différentes fractions en fonction du temps de réaction ont été étudiés afin de comprendre les transformations lors de la conversion. Un schéma réactionnel (approche regroupée) a été établi sur la base de ces observations. La deuxième partie de ce travail a été consacrée au développement d'un modèle cinétique paramétré permettant de décrire mathématiquement chaque étape de réaction au cours de l'hydroconversion de la lignine. Premièrement, les phénomènes physiques impliqués (comportement hydrodynamique des gaz dans notre installation, équilibre vapeur-liquide des mélanges et transfert de masse liquide gaz) ont été caractérisés. Par la suite, un modèle complet de réacteur a été construit en couplant la cinétique chimique appropriée et les caractérisations physiques. En prenant les données expérimentales recueillies comme base, des paramètres cinétiques fiables (constantes de vitesse et coefficients stoechiométriques) pour chaque étape de réaction ont été obtenus au moyen d'une technique de régression non linéaire. Le modèle résultant nous permet d'avoir une compréhension approfondie du processus de conversion de la lignine

Confronted with growing competition, wood industry manufacturers are increasingly looking to optimize their processing processes and to control the quality of their finished products. Similarly, research and development teams in genetics and forest genetic improvement need new powerful tools enabling the evaluation of a large number of samples at a low cost and quickly. In this context, the development of non-destructive tools for measuring wood material performances (in all its forms: massive, de structured or reconstructed) is essential. Since the early 1990s, numerous research studies have explored the usefulness of using Near Infrared Spectroscopy (NIRS) to estimate the properties of wood material.This chapter, divided into two parts, aims to present a state of the art on the use of NIRS methodology in the wood domain. The first part describes technology and principles of its operation as well as its various fields of application for macromolecules, some physical and mechanical properties. The second part takes stock of the latest knowledge gained to date on the use of NIRS in the cooperage sector and takes example of an original industrial process for measuring the quality of oak wood directly on the production line.

[Background] Lavender (Lavandula angustifolia) and lavandin (a sterile hybrid of L. angustifolia × L. latifolia) essential oils are among those most commonly used in the world for various industrial purposes, including perfumes, pharmaceuticals and cosmetics. The solid residues from aromatic plant distillation such as lavender- and lavandin-distilled straws are generally considered as wastes, and consequently either left in the fields or burnt. However, lavender- and lavandin-distilled straws are a potentially renewable plant biomass as they are cheap, non-food materials that can be used as raw feedstocks for green chemistry industry. The objective of this work was to assess different pathways of valorization of these straws as bio-based platform chemicals and fungal enzymes of interest in biorefinery., [Results] Sugar and lignin composition analyses and saccharification potential of the straw fractions revealed that these industrial by-products could be suitable for second-generation bioethanol prospective. The solvent extraction processes, developed specifically for these straws, released terpene derivatives (e.g. τ-cadinol, β-caryophyllene), lactones (e.g. coumarin, herniarin) and phenolic compounds of industrial interest, including rosmarinic acid which contributed to the high antioxidant activity of the straw extracts. Lavender and lavandin straws were also suitable inducers for the secretion of a wide panel of lignocellulose-acting enzymes (cellulases, hemicellulases and oxido-reductases) from the white-rot model fungus Pycnoporus cinnabarinus. Interestingly, high amounts of laccase and several lytic polysaccharide monooxygenases were identified in the lavender and lavandin straw secretomes using proteomics., [Conclusions] The present study demonstrated that the distilled straws of lavender and lavandin are lignocellulosic-rich materials that can be used as raw feedstocks for producing high-added value compounds (antioxidants, aroma) and fungal oxidative enzymes, which represent opportunities to improve the decomposition of recalcitrant lignocellulose into biofuel. Hence, the structure and the physico-chemical properties of these straws clearly open new perspectives for use in biotechnological processes involving especially filamentous fungi. These approaches represent sustainable strategies to foster the development of a local circular bioeconomy., This work was funded by the French National Institute for Agricultural and Sea Products (FranceAgriMer), the company Naturamole (Susville, France), and the French Pole of Competitiveness for Perfumes, Flavors and Fragrances (PASS pole, Grasse, France).

A catalytic oxidative fragmentation of a lignin dimer and polymer extracted from wheat straw was successfully performed under eco-friendly conditions: 10% O2/N2 as the oxidizing agent, water as the solvent (pH ≈ 7), and Co3O4, Fe2O3 and CoFeO mixed oxides as heterogeneous catalysts and at temperatures of T = 150 °C and 200 °C. These catalysts unexpectedly showed tunable selectivity that directly depends on the composition of the selected bimetallic nanoparticles. High selectivity for benzoic acid and alkylbenzene (above 50%) was observed over Co50–Fe50 at 200 °C. Under similar conditions, the conversion of wheat organosolv lignin over Co50–Fe50 at 150 °C for 4 h yielded up to 50 wt% of monomeric species (based on dry lignin) and up to 19% of aromatic molecules with high selectivity to aromatic aldehydes (syringaldehyde and vanillin), up to 60%. An important fraction of water-soluble oligomers, with low molecular weights, was also formed during the catalytic treatment. The oxide nanomaterials were readily separated from the residual lignin during the recyclability test. The yield and the product distribution can be tuned by choosing the oxidation parameters: temperature, reaction time, oxygen partial pressure, solvent and catalyst charges.

Lignin is one of the most abundant natural polymers on earth whose resistance to degradation contributes to the mechanical strength of plant cellwalls and protects plant cells from pathogen attack. Few organisms are candegrade lignin efficiently; most of them belong to the fungal Kingdom. Inmost cases, plant cell wall degradation results from enzymatic attack. Recent studies also underline the contribution of secreted fungal enzymes in many areas:- many of these enzymes are already in use in numerous industrial processes,- thanks to the comparison between fungal genomes, through the study ofgenes implicated in organic matter degradation, it becomes obvious that fungal evolution and their ecology are two tightly linked phenomena,- saprotrophic fungi degrading organic matter are the main decomposers in terrestrial ecosystems. Among other, they contribute in a decisive way tothe carbon biogeochemical cycle in temperate and boreal ecosystems. Thestudy and a better comprehension of carbon fluxes are of prime importance in the evaluation of climate changes.The fungal enzymatic machinery involved in organic matter decomposition is compozed of dozens of enzymes whose functions are diversely understood. The roles of several of them need to be clarified. This is the case for the DyP peroxidases, an enzyme family recently described but already well known in the field of biotechnology for their capacity of catalyzing many reactions. Their natural role in natural ecosystems are however matter of discussion. It has been suggested that they could participate in lignin degradation although a role in detoxification during biomass degradation cannot be excluded.In the course of this thesis, we highlighted the potential roles of these enzymes.The DyP gene family had been divided in different sub-families but nostudy specifically dealt with the phylogeny of fungal DyPs. Such an analysis revealed the unsuspected existence of both intracellular and extracellular DyPs in fungi. To better understand the potential roles of this fungal gene family we developed ecological analyses that first required the development of specific tools such as a protocol to extract RNA directly from decomposing wood. Following a molecular ecology approach, we evaluated the source and diversity of DyP-producing fungi in three distinct habitats; grassland soils, forest soils and decomposing wood. A metabarcoding analysis of the fungal communities present in these different environments has first been conducted and has revealed the beneficial impact of performing metabarcoding on both environmental DNA and RNA to accurately describe fungal communities.The study of DyPs expressed within fungal communities colonizing these different habitats has been conducted by sequence capture on environmental RNA. Preliminary results demonstrate the validity of this approach to isolate the corresponding full-length genes from all studies environmental samples. Several of these environmental DyP genes were transformed in the fungus Podospora anserina and the expression of one of them in this heterologous host was demonstrated.In conclusion, DyP peroxidases still represent a family of fungal enzymes of unclear role. We suggest that extracellular and intracellular DyPs may play complementary roles in both lignin degradation and detoxification of toxic environmental compounds, respectively. This enzyme family is more specifically present in the genomes of basidiomycete fungi capable of enzymatic deconstrustion of lignin. A restricted number of DyP genes has been isolated from each of the different studied environmental samples, thus suggesting that the corresponding enzymes are not abundantly produced although present in all environments; La lignine est un des polymères naturels les plus abondants sur la terre particulièrement résistant à la dégradation du fait de sa structure particulière qui lui permet de participer au renforcement des parois végétales ainsi qu'à la protection de celles-ci contre l'attaque de pathogènes. Peu d'organismes peuvent dégrader efficacement la lignine et la plupart de ceux-ci appartiennent au Règne Fongique. Dans la plupart des cas la dégradation des composants de la paroi végétale est réalisée par des enzymes sécrétées. Des études récentes soulignent combien l'arsenal enzymatique des champignons est intéressant dans plusieurs domaines :- nombreuses de ces enzymes sont déjà utilisées en biotechnologies dans de nombreux et divers processus industriels,- grâce à la possibilité de comparer les génomes de nombreuses espèces fongiques, au travers de l'étude des gènes impliqués dans la matière organique il apparait que l'évolution fongique et l'écologie de ces microorganismes sont étroitement liés,- les champignons dégradateurs de la matière organique végétale sont les principaux décomposeurs en milieu terrestre. Ils contribuent notamment de manière décisive dans le cycle biogéochimique du carbone en milieu forestier tempéré et boréal. L'étude et une meilleure compréhension des flux de carbone est importante pour mieux appréhender les phénomènes de changements climatiques.L'appareil enzymatique fongique permettant la dégradation de la matière organique est composé de dizaines, sinon de centaines d'enzymes aux rôles bien décrits pour certaines. Mais pour d'autres, leurs rôles restent à définir. C'est le cas des peroxydases de type DyP, une famille enzymatique découverte récemment et déjà bien connue dans le domaine des biotechnologies, étant capables de catalyser de nombreuses réactions. Leurs rôles dans la nature sont toutefois incertains. Il a été suggéré qu'elles puissent jouer un rôle dans la dégradation de la lignine, mais certaines études suggèrent plutôt un rôle de détoxification durant la dégradation de la biomasse.Au cours de cette thèse, nous nous sommes attachés à mettre en lumière les rôles potentiels joués par ces enzymes. La famille des DyP a récemment été divisée en sous-groupes, mais pour ce qui concerne les DyP fongiques, il n'existait pas d'analyse approfondie de leur évolution phylogénique. Un tel travail nous a conduit à mettre en lumière l'existence ignorée jusqu'à présent de DyP aussi bien intracellulaires qu'extracellulaires.Afin d'améliorer nos connaissances sur cette famille enzymatique nous nous sommes orientés sur des analyses écologiques pour lesquelles nous avons dû au préalable développer des outils appropriés tel qu'un protocole d'extraction d'ARN à partir de bois en décomposition.Par une approche d'écologie moléculaire, nous avons évalué quelle est la source et la diversité des champignons producteurs de DyP dans 3 habitats distincts : des sols forestiers, des sols de prairies et du bois en décomposition.Une analyse par métabarcoding des communautés fongiques de ces environnements a au préalable été réalisée et a démontré le bénéfice que l'on peut tirer en métabarcoding de l'analyse comparative de l'ADN et de l'ARN environnemental pour une description optimale de ces communautés.L'étude de la diversité des DyP exprimées au sein des communautés fongiques présentes dans ces différents habitats a été réalisée par capture de séquences à partir d'ARN environnementaux.Les résultats préliminaires obtenus démontrent la capacité de l'approche expérimentale à isoler les gènes pleine longueur correspondants de tous les échantillons étudiés. Certaines de ces DyP environnementales ont été transformées dans le champignon Podospora anserina, et l'expression de l'une d'entre elle dans ce système hétérologue a pu être démontrée [etc...]

The depolymerization of polymer lignin model to low molecular weight products was studied in water, at 200 °C under 100 MPa of 10% O2 using cobalt-iron mixed oxides as catalysts. These nanostructured oxides with different Co/Fe ratios were prepared via alginate gelation. X-ray diffraction, scanning electron microscope, and size exclusion chromatography were used to study the influence of the Fe/Co ratios on the structure and the proprieties of the oxides as well as the morphology, the structure, and the composition of the obtained degraded products. The results showed that the oxides used in this study were versatile catalysts with a high catalytic activity for lignin depolymerization. Furthermore, these oxides demonstrated high yield and high selectivity towards aromatic compounds.

[Background] Plant biomass conversion for green chemistry and bio-energy is a current challenge for a modern sustainable bioeconomy. The complex polyaromatic lignin polymers in raw biomass feedstocks (i.e., agriculture and forestry by-products) are major obstacles for biomass conversions. White-rot fungi are wood decayers able to degrade all polymers from lignocellulosic biomass including cellulose, hemicelluloses, and lignin. The white-rot fungus Polyporus brumalis efficiently breaks down lignin and is regarded as having a high potential for the initial treatment of plant biomass in its conversion to bio-energy. Here, we describe the extraordinary ability of P. brumalis for lignin degradation using its enzymatic arsenal to break down wheat straw, a lignocellulosic substrate that is considered as a biomass feedstock worldwide., [Results] We performed integrative multi-omics analyses by combining data from the fungal genome, transcriptomes, and secretomes. We found that the fungus possessed an unexpectedly large set of genes coding for Class II peroxidases involved in lignin degradation (19 genes) and GMC oxidoreductases/dehydrogenases involved in generating the hydrogen peroxide required for lignin peroxidase activity and promoting redox cycling of the fungal enzymes involved in oxidative cleavage of lignocellulose polymers (36 genes). The examination of interrelated multi-omics patterns revealed that eleven Class II Peroxidases were secreted by the fungus during fermentation and eight of them where tightly co-regulated with redox cycling enzymatic partners., This work was supported by The French National Agency for Research (ANR-12-BIME-0009, ANR-14-CE06-0020-01). The work by the U.S. Department of Energy Joint Genome Institute, a DOE Office of Science User Facility, is supported by the Office of Science of the U.S. Department of Energy under Contract No. DE-AC02-05CH11231. The work by CSIC was supported by the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness (BIO2017-86559-R). The HPC resources of Aix-Marseille Université was supported by The French National Agency for Research (ANR-10-EQPX-29-01).

The research described in this PhD-thesis aimed to identify new routes to release monosaccharides from hard-to-convert feedstocks by a detailed structural analysis of the recalcitrant carbohydrate and lignin released from grass feedstocks mildly treated with 1) intrinsic chemical catalysts (acetic acid and ammonium); 2) novel enzymes and; 3) combination of both.Loosening of the architecture of cell walls is known to enhance accessibility to enzymes. However, the residual lignin structures are not fully understood and will vary depending on the plant source and the targeted product (i.e. conversion to biochemicals, opening the structures for compost). Hence, this research focused on the variability and the lignin recalcitrant structures of 2 main grasses (corn stover, wheat straw) and how they can be affected by a biological process (rumen digestion or composting process), by an ammonia pretreatment, and by an acetic acid (enzymatically released or added to the treatment) or sulfuric acid pretreatment. The effects and the modifications of lignin were evaluated for to their influence on further enzymatic degradation of polysaccharides. Furthermore, the presence and the use of intrinsic catalysts within the biomass or within the process was investigated to increase the severity of pretreatment and its following degradability.

In order to investigate the effect of potassium addition on the composition of torrefaction condensates, two demineralized wood species were impregnated with different concentrations of K2CO3 and then torrefied at 275 °C up to an anhydrous weight loss (AWL) of 25%. Torrefaction was carried out in both a thermogravimetric analysis (TGA) instrument and a laboratory fixed-bed reactor. Condensates from the fixed bed reactor were collected and analyzed by Gas Chromatography-Mass Spectroscopy (GC–MS). TGA of raw and K2CO3-impregnated biopolymers (cellulose, xylan and lignin) were performed to facilitate interpretation of the results. TGA showed that when potassium content increased in the biomass, shorter torrefaction times were sufficient to obtain the targeted AWL. GC–MS showed, for both wood species, that potassium promotes the formation of acetol and slightly enhances acetic acid yield. The amount of some lignin derivatives (guaiacol, syringol, 4-vinylguaiacol) also rose with potassium addition. Yields of levoglucosan, LAC (1-hydroxy-(1R)-3,6-dioxabicyclo[3.2.1]octan-2-one) and DGP (1,4:3,6-dianhydro-α-d-glucopyranose), as well as furfural and 5-hydroxymethylfurfural, decreased drastically in the presence of potassium. In conclusion, small additions of potassium carbonate deeply affected thermal degradation of wood species and the speciation of torrefaction condensates. (Resume d'auteur)

The distribution of lignin, 8-5′ and 8-8′ linked lignin substructure, and noncellulosic polysaccharides in hemp (Cannabis sativa L.) phloem fibers were explored based on histochemical and immunological methods. Ultraviolet absorption and potassium permanganate staining were observed mainly in the compound middle lamella (CML) and S1 layers, and rarely in the G-layer of phloem fibers, suggesting that lignin concentration is high at the CML and S1 layers, and very low at the G-layer of hemp fibers. Acriflavine staining, uniform KM1 labeling (8-5′ linked lignin substructure), and no KM2 labeling (8-8′ linked structure) were observed in the G-layer, suggesting that there is a small amount of lignin-like compound with 8-5′ linked structure in the G-layer. In addition, some fiber cells showed a multilayered structure. Uniform arabinogalactan protein (AGP) labeling was observed on the S1 layers and G-layers using JIM14, but little appeared in the CML of hemp fibers, indicating that these layers of the phloem fibers contain AGP. Immunogold labeling of xylan (LM11) and glucomannan (LM21) showed that xylan and glucomannan were mainly present in the S1 layers and the G-layers, respectively. In some phloem fibers, LM21 immunofluorescence labeling showed multilayered structure, suggesting the heterogeneous distribution of glucomannan.