Carbone et quelques applications biotechnologiques Cycle du Carbone Carbone et quelques applications biotechnologiques

Carbone et quelques applications biotechnologiques I : Le cycle du Carbone II : Synthèse d’exopolysaccharides microbiens III : La méthanogénèse

I – Le cycle du carbone : forme simplifiée Processus aérobie Processus anaérobie CO2 CO Formes minérales HETEROTROPHES Respiration, décarboxylation, fermentation … De très nombreux micro-organismes AUTOTROPHES Organismes photosynthétiques, algues vertes, cyanobactéries (CH2O)n Formes organiques

Chimioautotrophes phototrophes Excrétion Mort / dégradation I – Le cycle du carbone : CO2 Chimioautotrophes phototrophes FERMENTATION CH4 méthanogènes méthylotrophes O2 H2O RESPIRATION C organique Algues, Bactéries, plantes Biomasse microbienne NUTRITION Animaux NUTRITION Réserve de C organique Mort / dégradation Excrétion Mort / dégradation NUTRITION Hétérotrophes (Saprophytes) CH4 méthanogènes méthylotrophes

Production de la matière organique Fixation autotrophe Cycle de Calvin / rubisco (phase obscure de la photosynthèse) Cycle de l’oxaloacétate (inverse du cycle de Krebs) Assimilation hétérotrophe

Dégradation de la matière organique : les polymères Deux fonctions : énergie, structure Décomposition des polymères : variable selon leurs structures Amidon : facile, tout type de microorganisme Cellulose, lignine : très abondant mais peu de microorganismes peuvent les dégrader Aérobiose : Trichoderma (moisissure), Cytophaga (bactérie) Anaérobiose : Clostridium thermocellum (compostage)

Dégradation de la matière organique : les monomères Glucides : Glycolyse , Entner Doudoroff, HMP Aérobiose : décarboxylation oxydative Anaérobiose : fermentations : divers produits Acides aminés : Transamination Désamination, décarboxylation Lipides b oxydation, glycolyse (glycérol en aérobiose)

II – Les exopolysaccharides microbiens Homo ou hétéro polymères Sous forme de capsule ou en gel (slime) autour de la cellule Rôles : Protection / dessiccation, système immunitaire (pathogène), virus, produits chimique Facilite l’attachement aux surfaces Réserve de carbone et d’énergie

Exemples d’exopolysaccharides microbiens Alginate Hétéropolymère linéaire d'acide L-guluronic et D-mannuronic contenant quelques groupement O-acetyl Pseudomonas Azotobacter vinlandii Stabilisant IAA texturant dans industrie papetière et textile Cellulose Homopolymère : b 1-4 glucane Acetobacter xylinum Peau artificielle temporaire : traitement des brûlés et chirurgies membrane acoustique ingrédient alimentaire Chitine Homopolymère : N acetyl glucosamine et ces dérivés déacétylés (chitosane) Paroi des champignons Actuellement carapace des crustacés + rapide d'extraire à partir des champignons agent chélatant : conservateur et clarifiant Curdlane Homopolymère : b 1-3 glucane Alcaligenes Agrobacterium Utiliser au japon comme agent gélifiant dans de nombreuses préparations alimentaires (non homologué en EU et US) Dextrane Leuconostoc mesenteroïdes Supplément plasmatique

Cas de la production de xanthane Xanthomonas campestris Petit bacille Gram , aérobie, mobile Parasite de nombreuses plantes (riz, choux, citron) Producteur de xanthane (gomme) Xanthane Gel stable à hautes températures 20.000 tonnes /an Agent gélifiant et stabilisant : (E415) sauce salade, crème glacée, pâte dentifrice, cosmétiques, peintures à l’eau Lubrifiant de forage

Schéma de la production de xanthane Milieu riche développement de la biomasse Fed Batch : STR 50 à 200 m3 Facteur limitant : N (D : 0.025 à 0.05 h-1) Aération : 1 vvm Source de C : amidon, dextrines, mélasse, lactosérum, sirop de maïs, … Source d’N : caséine, farine de poisson, sels d’ammonium, peptones, corn steep, urée, … Température : 28 à 30°C pH : 7 Durée : 3 jours Réalisation de l'inoculum (préculture) Ensemencement à 5% (v/v) Fermentation Pasteurisation du moût Purification de la gomme Centrifugation ou filtration Précipitation de la gomme Ajout de solvants Recyclage du solvant développement des propriétés des xanthanes Métabolite partiellement associé 25 à 50 g/L Séchage sur filtre rotatif ou vaporisation Conditionnement

III – La méthanogènèse et la transformation des déchets Biomasse valorisable Plantes aquatiques & terrestres Déchets animaux : fumier, lisier, fiente … Déchets humains : boues des stations, ordures ménagères, matières de vidanges, … Déchets industriels Techniques de valorisation Conversion chimique ou enzymatique Bioproduction Fermentation Aérobie : compostage, formation de POU Anaérobie : méthanique, éthanolique, cétobutyrique

Les étapes de la fermentation anérobie Macro‑molécules Monomères Hydrolyse enzymatique Hydrolyse et acidogenèse B acidogènes Clostridium Bacillus B acidogènes Bactéries aérobies facultatives ou anaérobies Acides organiques, alcools... CO2 + H2 Acétate Acétogenèse B acétogènes Méthanogenèse B homoacétogènes CH4 + CO2 B Méthanogènes acétoclastes CH4 B méthanogènes hydrogénophiles

Bactéries acétogènes Homo-acétogènes : Bactéries syntrophes Clostridium, Acetobacterium Production uniquement d’acétate à partir de de CO2 ou de substrat carboné Bactéries syntrophes Pression partielle en H2 très basses Vie en association avec bactéries méthanogènes hydrophiles & bactéries sulfatoréductrices Bactéries sulfatoréductrices

Exemples de réactions de conversion dans les écosystèmes anaérobies Énergie libre G° (kJ) Bactéries hydrolytiques   lactate + H2 ――> propionate + H20 - 79,9 glucose + 4H20 ――> 2 acétate- + 2 HC03- + 4H+ + 4H2 -206,3 Bactéries acétogènes productrices d'hydrogène propionate- + 3H20 ――> acétate- + HC03-+ H+ +3H2 + 76,1 butyrate- + 2H20 ――> 2 acétate- + H++ 2H2 + 48,1 éthanol + H20 ――> acétate- + H+ + 2H2 + 9,6 Bactéries méthanogènes HC03- + 4H2 + H+ ――> CH4 + 3H20 -135,6 acétate- + H20 ――> CH4 + HC03- - 31,0

Fermentation méthanique Bactéries autotrophes Homoacétogène Méthanogènes hydrogénophiles (tractus intestinal des ruminants) Bactéries hétérotrophes Méthanogènes acétoclastes (70% de la production de biogaz) Voies productrices d’énergie chimique

Équivalence énergétique 1,7 L d'alcool à brûler 1,15 L d'essence 1 m3 de méthane 8 570 kcal 1 L de mazout 0,94 m3 de gaz naturel 1,3 kg de charbon 9,7 kW/h d’électricité 2,1 kg bois 1 kg de glucose = 814L de gaz : CH4 & CO2 (v/v)