Déchets : la recherche au cœur de guerres microbiennes

2 publications scientifiques majeures marquent une nouvelle étape dans les recherches en microbiologie environnementale appliquée au traitement des déchets. L’équipe BIOMIC d’Irstea, spécialisée dans la valorisation des déchets organiques, a réussi à caractériser ces micro-organismes, leurs propriétés et rôles dans les chaînes de dégradation. Un pas de plus vers la compréhension des bioprocédés (méthanisation, stations d’épuration,…) ! On parle aujourd’hui d’écologie microbienne, et demain, d'ingénierie écologique des bioprocédés ?

On croyait presque tout connaître des stations d’épuration ou des unités de méthanisation, ces bioprocédés en pleine expansion... Pourtant, le moteur microbien, à l’œuvre dans la dégradation et valorisation des déchets, recèle encore de nombreux secrets. De quoi stimuler la curiosité des chercheurs à Irstea qui ont ouvert la « boîte noire » de ces bioprocédés pour voir ce qui s’y passe de plus près… Ils ont récemment fait de surprenantes observations, publiées dans 2 revues scientifiques de rang A : The ISME-Journal [1] et Plos One [2], avec toujours en tête l’idée d’améliorer et de proposer de nouveaux modes de gestion pour mieux valoriser les déchets.

La fin des « boîtes noires » microbiennes ?

La dégradation des déchets et leur valorisation (qu’en fait-on, pour quelle utilité) reposent sur une succession de réactions catalysées par des micro-organismes. Problème : ces micro-organismes, d’une grande diversité, sont difficilement cultivables et il faut attendre le début des années 1990 pour voir apparaître de nouvelles techniques de biologie moléculaire. « On a alors pu décrire ces micro-organismes, à l’aide de leurs cartes d’identité moléculaire, sans avoir à les cultiver, explique Théodore Bouchez, chef de l’équipe BIOMIC au sein du laboratoire de microbiologie des bioprocédés de l’unité de recherche Hydrosystèmes et bioprocédés (HBAN) d’Irstea, mais, il a ensuite fallu dépasser ce stade de description et comprendre la fonction des micro-organismes présents. » De nouvelles méthodologies sont ainsi développées et ont dévoilé les capacités métaboliques des groupes microbiens présents dans les bioprocédés de dépollution.

De la carte d’identité d’un micro-organisme, les chercheurs sont passés aux approches - omiques : l’observation des micro-organismes à l’échelle du groupe, de l’écosystème avec leurs interactions (quelles sont les protéines présentes, quel micro-organisme les a produites, par quelle voie métabolique les molécules ont-elles été transformées,…). Un véritable carnet de bord, riche d’informations, qui met fin au statut de « boîte noire » microbienne.

Bioprocédés pilotes de laboratoire (1 L et 200 L) pour l’étude des phénomènes de dégradation anaérobie (méthanisation) des déchets ménagers © Irstea

Bioprocédés pilotes de laboratoire (1 L et 200 L) pour l’étude des phénomènes de dégradation anaérobie (méthanisation) des déchets ménagers © Irstea Mesure des émissions gazeuses durant la recirculation de lixiviat (?) sur une installation de stockage de déchets © Irstea

Du pilote de laboratoire à l’installation de stockage.

À gauche et au centre : Bioprocédés pilotes de laboratoire (1 L et 200 L) pour l’étude des phénomènes de dégradation anaérobie (méthanisation) des déchets ménagers © Irstea

À droite : Mesure des émissions gazeuses durant la recirculation de lixiviat sur une installation de stockage de déchets © Irstea

Guerre microbienne & taylorisation en labo

Épaulés par ces nouveaux outils, les chercheurs d’Irstea se sont intéressés à la cellulose, macromolécule abondamment présente dans les déchets organiques, dont la valorisation nécessite un cortège de protéines, toutes synthétisées par une communauté complexe de microbes. L’équipe a réussi à caractériser un grand nombre de ces protéines (publié dans The ISME-Journal) : « C’est une première à ce niveau de description, qui nous permet d’avoir une vision d’ensemble », note Théodore Bouchez. Et en observant la dégradation de la cellulose, ils ont mis le doigt sur des mécanismes inédits :

  • L’avancée la plus inattendue : il existerait une sorte de « guerre microbienne » au sein de ces communautés. Les chercheurs ne s’attendaient pas à voir une forte activité autour de l’azote, pourtant peu présent dans la cellulose. Pourquoi ? Au cœur du processus de valorisation, les « gentils » microbes synthétisent des protéines (enzymes) qu’ils envoient autour de la cellulose, pour dégrader ce substrat insoluble. Mais il semblerait que de « vilains » microbes profiteraient de cette masse de protéines disponible pour se nourrir, croître,… au détriment des gentils, acteurs de la dépollution. « C’est peut-être une des raisons de la baisse de performance des bioprocédés. Personne ne l’avait vu… L’hypothèse est donc là et reste à démontrer. » Ces interactions, positives ou négatives comme ici, sont à la base du fonctionnement du bioprocédé, d’où l’importance de les identifier et de les comprendre.
  • Les données suggèrent également une « taylorisation » du travail entre les différents groupes de microbes : « Certains sont plus spécialisés dans la dégradation de la cellulose, y compris de ses zones cristallines, d’autres plutôt dans la dégradation de l'hémicellulose,… Le travail est segmenté entre eux. » Une véritable société de microbes, à l’image de la nôtre.

L’équipe BIOMIC s’est également illustrée en travaillant sur la visualisation de la fonction des micro-organismes (publiée dans Plos One) avec des développements méthodologiques réalisés autour de la technique SIMSISH. Ils sont parvenus à mesurer l’incorporation de substrats marqués isotopiquement dans des micro-organismes. Cette méthode permet de tracer la fonction précise des micro-organismes dans les chaînes de dégradation, savoir ce qu’ils ont mangé,…

Quelques pas de plus vers la compréhension des bioprocédés.

Vers une ingénierie écologique des bioprocédés ?

Mais qu’en sera-t-il, une fois que l’on aura mieux compris comment fonctionne le moteur microbien ? Il faudra développer de nouveaux moteurs. Pour cela, les chercheurs ont besoin d’outils d’ingénierie avec des modèles pour pouvoir simuler des configurations, …et imaginer les procédés du futur. « Longtemps, on a fait de l’empirisme, on testait ceci, cela, relève Théodore Bouchez, chef de l’équipe BIOMIC à Irstea. Notre but aujourd’hui, est d’aller vers une ingénierie écologique : une ingénierie qui prenne en compte explicitement les interactions au sein de l’écosystème microbien afin de mieux tirer parti des propriétés d’adaptation, de résistance et d'optimisation énergétique des communautés microbiennes pour maximiser la performance du bioprocédé. À l’heure actuelle, les modèles permettant de décrire les dynamiques microbiennes en réponse à des variations opératoires du bioprocédé ne sont plus adaptés aux nouvelles données et connaissances. Il faut donc en créer de nouveaux, des modèles transdisciplinaires. »

En attendant, les scientifiques d’Irstea poursuivent leurs recherches, notamment autour de l’électrosynthèse microbienne [3]. De quoi s’agit-il ? Au lieu de donner du glucose, par exemple, aux microbes pour les faire pousser et leur faire exprimer certaines propriétés, les chercheurs leur donnent du courant électrique. Les microbes mangent les électrons avec du CO2 et utilisent l’énergie du courant pour produire des molécules intéressantes (éthanol,…). Et permettre aux chercheurs d’élaborer une stratégie de développement des bioraffineries du futur. De précieux alliés, ces micro-organismes !

Consultez en ligne les 2 publications de l’équipe BIOMIC : The ISME-Journal (accès payant) et Plos One.

En savoir plus


[1] Lü, F., et al., “Metaproteomics of cellulose methanisation under thermophilic conditions reveals a surprisingly high proteolytic activity”. The ISME Journal, août 2013. En collaboration avec l’INRA-Micalis de Jouy en Josas et l’université de Tongji à Qhanghai, Chine.

[2] Chapleur, O., et al., “SIMSISH technique does not alter the apparent isotopic composition of bacterial cells”. Plos One, novembre 2013. En collaboration avec le laboratoire de microscopie ionique de l’institut Curie d’Orsay.

[3] Le projet BIORARE, financé au titre du Programme Investissements d'Avenir AAP Biotechnologies et Bioressources (2011-2016). Irstea est leader dans l’utilisation de cette technique pour le traitement des déchets et de la matière organique.