Composition de la communauté microbienne des déchets alimentaires avant digestion anaérobie

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12703 (2023) Citer cet article

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La digestion anaérobie est largement utilisée pour traiter et valoriser les déchets alimentaires. Les installations commerciales de digestion anaérobie des déchets alimentaires recherchent des améliorations dans l’efficacité des processus pour permettre un débit plus élevé. Il existe peu d’informations sur la composition des communautés microbiennes dans les déchets alimentaires avant digestion, ce qui limite l’exploitation rationnelle du potentiel catalytique des micro-organismes dans les processus de prétraitement. Pour combler ce manque de connaissances, les communautés bactériennes et fongiques présentes dans des échantillons de déchets alimentaires provenant d'une installation commerciale de digestion anaérobie ont été caractérisées sur 3 mois. L'abondance des gènes bactériens de l'ARNr 16S était environ cinq ordres de grandeur supérieure à l'abondance de la séquence de l'espaceur intergénique fongique (ITS), suggérant la dominance numérique des bactéries sur les champignons dans les déchets alimentaires avant digestion anaérobie. Des preuves de la prolifération massive de bactéries dans les déchets alimentaires pendant le stockage avant la digestion anaérobie sont présentées. La composition de la communauté bactérienne varie au fil du temps, mais les lignées au sein de la famille des Lactobacillacées sont systématiquement dominantes. La teneur en azote et le pH sont corrélés à la variation de la communauté. Ces résultats constituent une base pour comprendre l’écologie microbienne des déchets alimentaires et offrent des opportunités pour améliorer encore le débit de la digestion anaérobie.

En 2017, 2 milliards de tonnes de déchets solides municipaux ont été générés dans le monde. Dont 84 % ont été collectés et seulement 15 % ont été recyclés1. Environ 60 % de ce flux de déchets est organique2 et peut être digéré de manière anaérobie pour une récupération énergétique. Dans le rapport 2018 du gouvernement australien sur la production de déchets, 87 % des déchets alimentaires ont été mis en décharge, créant des problèmes de gaz de décharge et de lixiviat. Seulement 1 % des déchets alimentaires ont été dirigés vers des installations de valorisation énergétique3. La mauvaise gestion de la fraction organique des déchets municipaux peut entraîner la génération de gaz à effet de serre, de lixiviats de décharge et d'autres produits nocifs issus de la décomposition incontrôlée des déchets organiques4, 5. Les gaz de décharge et les lixiviats sont nocifs pour l'environnement et soulèvent des problèmes de sécurité6, 7. la digestion anaérobie (DA) des déchets organiques peut alléger la pression exercée par les décharges en récoltant le biogaz et les nutriments des déchets organiques. Cette étude se concentre sur la fraction des déchets alimentaires du flux de déchets organiques.

La digestion anaérobie repose sur des micro-organismes qui décomposent les substances organiques en l'absence d'oxygène8. Le processus de digestion comporte quatre étapes (hydrolyse, acidogenèse, acétogenèse et méthanogenèse), chacune réalisée par différents groupes de micro-organismes. Les matrices alimentaires complexes sont hydrolysées de manière extracellulaire en composés plus simples, puis acidifiées et acétifiées, qui sont ensuite finalement fermentées en acétate, dioxyde de carbone et dihydrogène par des bactéries9. Ces produits servent ensuite de substrats à la production de méthane par les archées méthanogènes10. Les systèmes commerciaux de digestion anaérobie ont été optimisés au fil des décennies, en se concentrant sur des rendements de biogaz plus élevés, des ratios méthane/dioxyde de carbone plus élevés et des rendements plus faibles en matières résiduelles11. On a rarement prêté attention à l’augmentation du débit du digesteur, malgré les compromis économiques qu’une capacité de chargement accrue peut offrir12. Cela est surprenant étant donné que la plupart des revenus des installations de DA proviennent des paiements pour l'élimination des déchets alimentaires. Par conséquent, l’augmentation du taux de chargement du digesteur améliore la viabilité financière de ces installations et détourne davantage de déchets organiques des décharges.

Les aliments sont associés à une communauté microbienne et sont très sensibles à la décomposition abiotique et à la biodégradation. La disparition commence dès que la nourriture est récoltée, transformée ou produite. Les installations de digestion anaérobie reçoivent des déchets alimentaires à un stade précoce de décomposition provenant d’une communauté microbienne indigène de plus en plus active13. Malgré le potentiel de la communauté microbienne indigène aux déchets alimentaires à jouer un rôle dans la digestion anaérobie en aval, les données disponibles sur la communauté microbienne des déchets alimentaires (déchets alimentaires avant la digestion anaérobie) pour les installations de digestion anaérobie sont limitées. Par exemple, la diversité et l’uniformité des communautés bactériennes et fongiques dans les déchets alimentaires et la façon dont la composition de la communauté microbienne est influencée par des paramètres environnementaux tels que le pH, la teneur en eau et la teneur en éléments sont inconnues. Étant donné que la composition des déchets alimentaires peut varier, il est raisonnable de s’attendre à ce que la composition de la communauté microbienne varie également, même si cela n’a jamais été étudié.