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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2968 (2023) Citer cet article
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La biomasse lignocellulosique est un substrat prometteur pour la production de biogaz. Cependant, sa structure récalcitrante limite l’efficacité de la conversion. Cette étude vise à concevoir un consortium microbien (MC) capable de produire l'enzyme cellulolytique et d'explorer les aspects taxonomiques et génétiques de la dégradation de la lignocellulose. Une gamme diversifiée de bactéries lignocellulolytiques et d'enzymes dégradantes provenant de divers habitats ont été enrichies pour un KKU-MC1 connu. Le KKU-MC1 s'est avéré abondant chez les Bacteroidetes (51 %), les Protéobactéries (29 %), les Firmicutes (10 %) et d'autres phylums (8 % inconnus, 0,4 % non classés, 0,6 % d'archées et les 1 % restants autres). bactéries à faible prédominance). L'annotation des enzymes actives sur les glucides (CAZyme) a révélé que les genres Bacteroides, Ruminiclostridium, Enterococcus et Parabacteroides codaient pour un ensemble diversifié d'enzymes de dégradation de la cellulose et de l'hémicellulose. De plus, les familles de gènes associées à la déconstruction de la lignine étaient plus abondantes dans les genres Pseudomonas. Par la suite, les effets de la MC sur la production de méthane à partir de diverses biomasses ont été étudiés de deux manières : bioaugmentation et pré-hydrolyse. Le rendement en méthane (MY) de la bagasse de manioc (CB) avant hydrolyse, de l'herbe Napier (NG) et de la bagasse de canne à sucre (SB) avec KKU-MC1 pendant 5 jours s'est amélioré de 38 à 56 % par rapport aux substrats sans préhydrolyse, tandis que MY de le gâteau de filtration préhydrolysé (FC) pendant 15 jours s'est amélioré de 56 % par rapport au FC brut. Le MY de CB, NG et SB (à une concentration initiale de solides volatils (IVC) de 4 %) avec augmentation de KKU-MC1 s'est amélioré de 29 à 42 % par rapport au traitement sans augmentation. Le FC (1 % IVC) avait une MY 17 % plus élevée que le traitement sans augmentation. Ces résultats ont démontré que KKU-MC1 libérait l'enzyme cellulolytique capable de décomposer diverses biomasses lignocellulosiques, entraînant ainsi une production accrue de biogaz.
La production de biogaz à partir de déchets organiques par digestion anaérobie (DA) a suscité un intérêt mondial ces dernières années. Cette technologie pourrait répondre à la demande croissante d’énergie et résoudre le problème de la pollution de l’environnement1. La matière première utilisée pour la fermentation du biogaz est abondante ; La biomasse lignocellulosique, telle que la bagasse de canne à sucre (SB) et les gâteaux de filtration (FC) des industries sucrières, ainsi que l'herbe Napier (NG), la bagasse de manioc (CB) et certains types de déchets industriels, sont les plus courantes et les plus facilement accessibles. Cependant, l’utilisation de cette biomasse lignocellulosique pour la bioconversion est un défi en raison de la nature hautement récalcitrante de la paroi cellulaire végétale, qui comprend des microfibres de cellulose liées à des réseaux d’hémicellulose et protégées par la lignine. De plus, le faible taux d’hydrolyse de la biomasse lignocellulosique ralentit le processus de dégradation, réduisant ainsi l’efficacité de la production de méthane. Afin d'augmenter la production de biogaz à partir de la biomasse lignocellulosique, une méthode de prétraitement est nécessaire avant un traitement ultérieur2. Les méthodes de prétraitement utilisées peuvent être classées comme physiques, chimiques et biologiques3. Les prétraitements physiques et chimiques peuvent perturber la structure de la lignocellulose en très peu de temps, améliorant ainsi sa biodégradabilité. Cependant, ces méthodes augmentent le coût du procédé et génèrent des composés toxiques ou des inhibiteurs dans l’environnement4. De plus, des traitements acides ou alcalins sont nécessaires pour la neutralisation après le prétraitement, ce qui complique le processus.
Le prétraitement biologique, qui utilise des enzymes ou des micro-organismes pour préparer la biomasse lignocellulosique pour la production de biogaz, peut prendre beaucoup de temps par rapport aux prétraitements physiques et chimiques. Toutefois, ces technologies sont prometteuses car elles sont respectueuses de l’environnement et rentables4. Cependant, divers facteurs doivent être soigneusement contrôlés pour maintenir une activité enzymatique stable ou persistante, tels que le type de substrat, la durée du prétraitement, le pH et la température. Selon Parawira, l’utilisation d’enzymes libres peut être moins efficace que la culture de micro-organismes produisant des composés stables et persistants dégradant la lignocellulose5. En revanche, l’utilisation d’un mélange de plusieurs micro-organismes isolés est plus efficace que l’utilisation de souches uniques en raison de la nature complexe de la lignocellulose6. Le consortium microbien (MC) peut être isolé de diverses niches écologiques, notamment les sols de compost forestier7, les habitats de compost8, le compost SB9 et le compostage sous AD10. Plusieurs études ont utilisé avec succès la MC pour améliorer la biodégradation de la biomasse lignocellulosique et augmenter la production de biogaz. Par exemple, Wongwilaiwalin et al. ont découvert que le GN traité avec du MC (créé à partir de cultures de graines récoltées à partir d'un compost de bagasse dégradant) pendant 7 jours augmentait le rendement en méthane (MY) de 37 % par rapport au NG11 non traité. De plus, le MC enrichi à partir de compost, de litière végétale et de déchets animaux et agricoles a amélioré la production de méthane du NG12.