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Hydrolyse et oxydation partielle des boues d'épuration comme substrat pour produire Bacillus thuringiensis HD-1.

Barnabé, Simon (2004). Hydrolyse et oxydation partielle des boues d'épuration comme substrat pour produire Bacillus thuringiensis HD-1. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifiqu, Doctorat en sciences de l'eau, 339 p.

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Résumé

Dans la conjoncture actuelle, le développement démographique couplé à la mondialisation croissante de l'économie consomment à un rythme effrayant des ressources et génère des tonnes de déchets dont il faut disposer de façon sécuritaire et économique. L'intégration de la fabrication de produits à valeur ajoutée comme méthode économique pour valoriser les déchets est une solution durable aux problèmes d'exploitation massive des ressources renouvelables ou non renouvelables et de la gestion des résidus. Effectivement, certains déchets comme les boues d'épuration peuvent devenir une matière première abondante, économique et porteuse de caractéristiques nutritives stimulantes pour l'obtention de produits microbiens. Dans ce contexte, un procédé de bioconversion des boues d'épuration municipales en bio-insecticide (B. thuringiensis ou Bt) a été développé à l'INRS-ETE et s'apprête à être commercialisé. Ce bioprocédé, appelé temporairement « procédé BT-INRS », utilise les boues d'épuration comme matière première pour produire à coût moindre une souche entomopathogène de Bt. Ce procédé innovateur est au prise avec deux facteurs qui limitent le rendement de Bt en termes d'entomotoxicité, de spores produites et d'activité protéolytique. La faible disponibilité des éléments nutritifs dans les boues pourrait être accrue afin que Bt puisse produire à pleine capacité ses produits insecticides. De plus, le procédé ne peut pas utiliser des boues contenant plus de 25 g/l de matière en suspension (MES) en raison des caractéristiques rhéologiques des boues. Une plus forte concentration en MES fournirait à Bt plus d'éléments nutritifs pour produire davantage de produits insecticides. Finalement, une question persiste sur la performance du procédé BT-INRS : malgré une concentration en spores de Bt inférieure au milieu conventionnel à base de soja, pourquoi une plus forte entomotoxicité est observée dans les boues ? Des auteurs scientifiques ont démontré une corrélation positive entre les spores et l'entomotoxicité, alors que d'autres affirment qu'il n'en existe pas. Il est important de vérifier où le procédé BT-INRS se situe dans ces allégations. Le présent projet avait pour but de développer une stratégie pour améliorer le rendement de Bt dans les boues d'épuration. La stratégie développée consiste en une hydrolyse (alcaline ou thermo-alcaline), seule ou en combinaison avec une oxydation partielle (utilisant du H₂0₂ comme agent oxydant). Elle parvient à accroître considérablement le rendement de Bt dans les boues. Des analyses sur la composition des boues après leur traitement ont été effectuées afin de déceler les facteurs responsables des hausses de rendements. Finalement, des tests d'entomotoxicité sur les différentes fractions des boues fermentées par Bt (culot, surnageant, spores et cristaux protéiques purifiés) et du milieu conventionnel de production (à base de soja) ont été réalisés pour expliquer les hausses d'entomotoxicité et définir avec détails la relation spore-entomotoxicité dans les boues. Les boues mixtes et secondaires du traitement des eaux usées municipales ont été utilisées dans ce travail comme milieu de fermentation pour produire la souche entomopathogène HD-l du sérovar kurstaki de Bacillus thuringiensis (Btk HD-I). L'hydrolyse acide, alcaline et thermique ainsi que l'oxydation avec H₂0₂ ont été proposées et testées. Suite à des essais préliminaires, l'hydrolyse alcaline, l'hydrolyse thermo-alcaline et la combinaison de l'hydrolyse thermo-alcaline avec l'oxydation partielle ont été sélectionnées parce qu'elles augmentaient de plus de 50% l'entomotoxicité de Btk HD-l dans les boues mixtes et/ou secondaires. La solubilisation des protéines et du carbone organique, la présence de forte teneur en sodium après les hydrolyses ainsi que la réduction de la viscosité ont été identifiés comme les facteurs responsables de ces augmentations. Les traitements ont ensuite été optimisés en fioles Erlenmeyer avec un plan composite centré et la méthodologie de réponse en surface. Des conditions optimales ont été établies pour chaque traitement et elles ont été vérifiées en fioles Erlenmeyer. Finalement, les conditions optimales de l'hydrolyse alcaline et thermo-alcaline ainsi que du traitement thermo-oxydant ont été éprouvées avec succès en fermenteur de 15 litres. Des entomotoxicités entre 17,4x10³ et 19,0x10³ UI/µ1 ont été obtenues dans les boues traitées (contenant jusqu'à 37,4 g MES/l), soit de 37% à 49% supérieures aux boues non traitées (25 g MES/l) et de 1,7 à 1,9 fois supérieures au milieu conventionnel à base de soja. Ce travail a permis de conclure que l'hydrolyse alcaline, l'hydrolyse thermo-alcaline et la combinaison de l'hydrolyse thermo-alcaline avec l'oxydation partielle sont trois traitements des boues qui accroissent le rendement de Btk HD-I cultivée dans les boues d'épuration, spécialement en terme d'entomotoxicité. Elles permettent aussi d'utiliser une plus grande concentration de MES pour la culture de Btk dans les boues. De plus, les boues stimulent la formation de spores, de cristaux protéiques insecticides et de métabolites insecticides solubles de Btk HD-l qui sont plus actifs en terme d'entomotoxicité. Les boues secondaires, hydrolysées ou non hydrolysées, permettent d'obtenir des entomotoxicités spécifiques (par spores ou protéines solubles) plus élevées que dans le milieu soja. Les spores de Btk HD-l produites dans les boues d'épuration mixtes sont plus entomotoxiques que celles produites dans les boues secondaires et le milieu conventionnel à base de soja. Les cristaux protéiques insecticides de Btk HD-I produits dans les boues secondaires sont plus entomotoxiques que ceux produites dans les boues mixtes et le milieu conventionnel à base de soja. La stratégie développée dans le cadre de ce travail fait l'objet d'une demande de brevet.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Co-directeurs de mémoire/thèse: Valéro, José R.
Mots-clés libres: boues d'épuration ; Bt; Hydrolyse; oxydatio; Bacillus thuringiensis; entomotoxicité
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 04 juin 2013 19:55
Dernière modification: 09 nov. 2015 16:47
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1357

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