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«Des déchets à la richesse: récolter des produits utiles à partir de la croissance microbienne», source communiqué du Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology de l'Arizona State University (ASU).
Les anciens alchimistes rêvaient de transformer des matériaux de base comme le plomb en or et autres produits de valeur. Bien que ces efforts aient généralement été vains, des chercheurs ont réussi aujourd'hui à extraire une variété de produits utiles tels que des carburants d'aviation, des lubrifiants, des solvants, des additifs alimentaires et des plastiques à partir de déchets organiques.
L'astuce est accomplie à l'aide de bactéries spécialisées, dont les activités métaboliques peuvent convertir des produits chimiques plus simples en produits utiles grâce à un processus de croissance microbienne appelé allongement de la chaîne.
Anca Delgado, chercheuse au Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology de l'Arizona State University, a exploré le phénomène. Dans une nouvelle étude, elle décrit pour la première fois comment les processus d'allongement de la chaîne sont réalisés par des micro-organismes dans des conditions normales dans le sol.
Les travaux promettent d'apporter un nouvel éclairage sur ces processus mal compris dans la nature, permettant aux chercheurs de mieux les exploiter pour convertir les sources organiques comme des déchets alimentaires en produits de valeur. Ces techniques offrent un double avantage à la société, en minimisant ou en éliminant les déchets/contaminants environnementaux tout en produisant des produits biochimiques ou des biocarburants et d'autres ressources importantes, grâce à la chimie verte. Les travaux aideront également les chercheurs à élargir leurs connaissances en écologie microbienne.
«Nous avons observé que différents types de sol échantillonnés à 1,5 m ou moins sous la surface du sol abritent un potentiel facilement actif d'allongement de la chaîne d'acétate et d'éthanol», explique Delgado. «Lorsqu'ils étaient nourris d'acétate et d'éthanol, les microcosmes du sol produisaient du butyrate et de l'hexanoate en quelques jours seulement et l'allongement de la chaîne est devenu le principal métabolisme de ces échantillons.»
Delgado est rejoint par Sayalee Joshi, ses collègues de l'ASU, Aide Robles et Samuel Aguiar.
Les résultats de leurs recherches apparaissent dans le numéro actuel de International Society of Microbial Ecology Journal.
L'énergie des déchets
L'idée de convertir les flux résiduels organiques tels que les déchets alimentaires en carburants et en composés utiles n'a cessé de gagner du terrain, grâce à l'avancée des technologies ainsi qu'au besoin mondial croissant rapidement de sources d'énergie propres et de réduction de la pollution. De tels processus peuvent aider la société à former des économies dites circulaires, dans lesquelles les flux de déchets indésirables sont continuellement convertis en sources d'énergie et autres produits utiles.
Les sources de déchets organiques présentent un énorme potentiel en tant que ressource alternative pour la production de carburants et de produits chimiques de grande valeur parce qu'elles sont renouvelables et parce qu'elles ne sont pas en concurrence avec la chaîne alimentaire humaine (comme le font certains biocarburants existants comme l'éthanol de maïs).
Une des sources de ces transformations utiles est le gaspillage alimentaire organique, dont une quantité énorme est produite chaque année. Poussée par l'augmentation de la population mondiale, l'accumulation de déchets alimentaires est devenue un problème critique, en raison des risques sanitaires et environnementaux associés.
Les déchets alimentaires proviennent de diverses sources, notamment les industries de transformation des aliments, les ménages et le secteur de l'hôtellerie. Selon l'organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture, 1,3 milliards de tonnes de nourriture sont perdues au profit de la chaîne alimentaire, et la quantité augmente rapidement.
De la menace environnementale à l'opportunité
En plus du gaspillage des ressources alimentaires et terrestres, le gaspillage alimentaire représente une lourde charge pour l'environnement en termes d'empreinte carbone, augmentant les émissions de gaz à effet de serre et libérant environ 3,3 milliards de tonnes de CO2 dans l'atmosphère par an. Les chercheurs espèrent convertir ces résidus de déchets en produits utiles et les purifier de manière efficace.
L’un des moyens les plus innovants et les plus écologiques de traiter tous ces déchets organiques est la digestion anaérobie, qui promet également d’élargir l’approvisionnement énergétique mondial. Une technologie émergente prometteuse utilisant la digestion anaérobie est connue sous le nom d'élongation de la chaîne microbienne, un processus métabolique utilisé par les micro-organismes anaérobies pour se développer et acquérir de l'énergie. Ils le font en combinant des produits chimiques carboxylates comme l'acétate (C2), avec des composés plus réduits, tels que l'éthanol (C2), pour produire des carboxylates à chaîne plus longue (généralement C4-C8).
Ce processus biotechnologique convertit les acides gras volatils (AGV) et un donneur d'électrons, généralement l'éthanol, en acides gras à chaîne moyenne (AGCM) plus précieux, qui sont les précurseurs nécessaires pour produire des biocarburants et d'autres produits chimiques utiles. Les sources initiales de déchetssont traitées par allongement de la chaîne, qui implique l'ajout cyclique d'unités de carbone, convertissant ainsi les déchets solides municipaux, les déchets agricoles, le gaz de synthèse, etc., en carboxylates à chaîne moyenne à haute valeur comme l'hexanoate (C6) et l'octanoate (C8).
La conversion des AGV en AGCM avec de l'éthanol comme donneur d'électrons est réalisée par des micro-organismes allongeant la chaîne, en particulier une bactérie connue sous le nom de Clostridium kluyveri. C. kluyveri (et les souches bactériennes étroitement apparentées) accomplissent leurs exploits d'allongement de chaîne grâce à un processus connu sous le nom de voie β-oxydante inverse. Comme son nom l'indique, cette voie est à l'opposé de la voie métabolique utilisée par les organismes pour décomposer les acides gras dérivés des aliments.
Ces dernières années, les chercheurs ont exploré les voies de la β-oxydation et développé les moyens d'inverser ces voies afin de produire des produits chimiques et des blocs de construction polymères, en utilisant des micro-organismes industriels pertinents.
Réactions sous nos pieds
L'allongement de la chaîne s'est donc révélé être un moyen efficace de produire des produits chimiques précieux dans les bioréacteurs de laboratoire, bien que le processus soit présumé se produire également naturellement dans les sols. Il s'avère que les sols et les sédiments anaérobies sont souvent riches des mêmes types de composés organiques biodégradables que l'on trouve dans les flux de déchets municipaux ou agricoles et par conséquent, une source naturelle d'allongement de la chaîne.
À l'aide d'échantillons de sol provenant de quatre sites américains différents, la présente étude examine l'étendue de l'allongement naturel de la chaîne et comment ces processus varient en fonction des caractéristiques biogéochimiques particulières de la composition du sol. La recherche a été conçue pour évaluer la prévalence de l'allongement de la chaîne chez les micro-organismes anaérobies du sol et son rôle possible dans l'écologie microbienne.
Les résultats démontrent le potentiel d'activités d'allongement de la chaîne impliquant l'acétate et l'éthanol, qui sont des métabolites typiques retrouvés dans les sols à la suite de la fermentation de composés organiques. L'étude a mesuré des taux d'enrichissement élevés en micro-organismes similaires à C. kluyveri dans des conditions d'allongement de la chaîne, qui varient selon le type de sol.
Les résultats jettent un éclairage nouveau sur cet aspect intrigant de l'écologie microbienne et peuvent fournir des indices utiles pour les efforts futurs utilisant des micro-organismes pour transformer les flux de déchets en une gamme de produits chimiques bénéfiques et d'autres produits.
Comme le note Delgado, «sur le plan fondamental, les résultats de cette étude ouvrent la voie à des investigations sur l'activité de l'allongement de chaîne in situ. Du côté de la biotechnologie, ces travaux montrent que les sols peuvent être d’excellentes sources de micro-organismes à allongement de chaîne pour les bioréacteurs axés sur la production de spécialités chimiques, l’hexanoate et l’octanoate.»
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