Structure de déchets lignocellulosiques : effets sur la colonisation, les communautés microbienne et les performances de méthanisation, caractérisés par des approches fonctionnelles et haut-débit - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Structure of lignocellulosic waste : effects on colonization, microbial communities and anaerobic performances, characterized by high dimensional functional approaches.

Structure de déchets lignocellulosiques : effets sur la colonisation, les communautés microbienne et les performances de méthanisation, caractérisés par des approches fonctionnelles et haut-débit

Résumé

Lignocellulosic materials have a high energy potential and are abundant, especially in municipal solid waste and their methanization is a promising waste-to-energy bioprocess. However, owing to their highly complex and heterogeneous structure, they are recalcitrant to anaerobic conditions and the use of pre-treatments is usually required to improve their biodegradation yields. Besides, lignocellulose colonization by cellulolytic microorganisms is a key step for an efficient biodegradation. In this context, the PhD work aimed to better understand the factors affecting waste colonization, to establish the link between lignocellulosic waste colonization and its biodegradation efficiency and to characterize more precisely the mechanisms and interactions within the biomass. A transversal approach was developed, combining cultures of model pure strains and lab-scale methanization microcosms with a complex biomass. Integrated approaches were applied to these studies, combining high-throughput analyses (metagenomics/(meta) proteomics), physico-chemical monitoring of bioconversion and finally physico-chemical characterization of substrates. The main results highlight the important role of lignocellulosic materials chemical and micro-and macro -structural features for their recalcitrance, their biodegradation efficiency and the response of the microbial compartment. The first global quantitative proteomic study on the cellulolytic model Clostridium cellulolyticum was conducted. Results showed an increased biodegradation rate of the facial tissue compared to cotton. This enhanced biodegradation was associated to a particular metabolic profile, a faster and more extensive colonization and finally a quantitative modulation of the cellulasic system. On the other hand, study of lignocellulosic waste methanization confirmed the good agreement between this more realistic system and the above-described model system. It also provided new information about the effects of substrate on microbial community structure. Noticeably, Bacteroidia members predominated in the presence of tissue and a high proportion of Spirochaetes members was observed in the presence of cotton. Finally, study of the effects of wheat straw and cardboard dry grinding revealed the limitations of these pretreatments on biodegradation efficiency. Main key points were a moderate positive effect of wheat straw fine grinding, and the sensitivity of the microbial communities to substrate surface characteristics, as evidenced by the emergence of different microbial communities according to the applied mechanical pretreatment. In conclusion, this work brings new perspectives to the study of lignocellulosic waste recalcitrance by addressing both the structural, functional and ecological aspects. These results contribute to the core fundamental knowledge on bioprocesses. They confirm that the lignocellulosic materials are specific among non-hazardous waste and require the implementation of adapted specific processes.
La méthanisation des composés lignocellulosiques présente un fort intérêt en raison de leur haut potentiel énergétique et de leur abondance, notamment dans les ordures ménagères résiduelles. Toutefois, leur complexité de structure et de composition rend ces matériaux difficilement dégradables en conditions anaérobies et l’utilisation de prétraitements est généralement requise afin d’améliorer leurs rendements de biodégradation. Outre l’effet de ces prétraitements sur la biodégradation de ces composés, la colonisation des lignocelluloses par les micro-organismes cellulolytiques est une étape clé pour l’efficacité de sa dégradation. Dans ce cadre, le travail de thèse a pour objectifs de mieux comprendre le déterminisme de la colonisation de déchets, d’établir le lien entre la colonisation des déchets lignocellulosiques et l'efficacité de leur dégradation et enfin de caractériser plus finement les mécanismes et interactions mises en jeu au sein de la biomasse. Afin de répondre à ces questions, une approche transversale a été développée, combinant des modèles de cultures de souches pures et des systèmes de méthanisation en laboratoire par des communautés complexes. Des approches intégratives ont été appliquées à l’étude de ces systèmes, couplant des analyses haut-débit (métagénomique/(méta)protéomique), un suivi physico-chimique de la biodégradation et des caractérisations physico-chimiques des composés lignocellulosiques étudiés. L’ensemble des résultats met en évidence le rôle des propriétés chimiques, micro-et macro¬structurales des composés lignocellulosiques dans leur récalcitrance, leur performances de dégradation et la réponse du compartiment microbien. La réalisation de la première étude de protéomique totale et quantitative sur la souche pure cellulolytique Clostridium cellulolyticum, modèle des Clostridia cellulolytiques mésophiles, a permis de mettre en évidence que la vitesse maximale de biodégradation du mouchoir en papier est supérieure à celle du coton et que cette dégradation est associée à un profil métabolique particulier, à une colonisation plus rapide et plus étendue et à une modulation quantitative du système cellulasique. D’autre part, une étude sur un système plus réaliste pour l’étude de la méthanisation des déchets lignocellulosiques a confirmé la bonne concordance entre ce système et le système modèle utilisé et a également permis de mettre en évidence les effets substrats sur la structure des communautés microbienne avec la dominance de la classe Bacteroidia en présence de mouchoir en papier et la forte proportion de la classe Spirochaetes en présence de coton. Enfin l’étude des effets de broyages très fins de la paille de blé et du carton plat ont mis en évidence les limites de ces prétraitements sur les performances de leur dégradation, avec l’effet positif modéré du broyage fin de la paille. Ils ont également montré la sensibilité des communautés microbiennes aux changements de surface du substrat, qui se manifeste par l'émergence de communautés parfois différentes en fonction du prétraitement mécanique appliqué. En conclusion, ce travail a permis de traiter sous un angle nouveau les questions liées à la récalcitrance des déchets lignocellulosiques en abordant à la fois les aspects structuraux, écologiques et fonctionnels. Ces résultats alimentent le corps de connaissances fondamentales sur les bioprocédés. Ils confirment que les matériaux lignocellulosiques sont particuliers parmi les déchets non-dangereux et qu’une exploitation plus large de leur potentiel énergétique nécessiterait la mise en œuvre de procédés spécifiquement adaptés.
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  • HAL Id : tel-04143976 , version 1

Citer

Nelly Badalato. Structure de déchets lignocellulosiques : effets sur la colonisation, les communautés microbienne et les performances de méthanisation, caractérisés par des approches fonctionnelles et haut-débit. Sociologie. AgroParisTech, 2014. Français. ⟨NNT : 2014AGPT0002⟩. ⟨tel-04143976⟩
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