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Procédés de fortification, de floculation et de formulation dans la production de biopesticide à partir des eaux usées d'industrie d'amidon à base de Bacillus Thuringiensis var. kurstaki.

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Ndao, Adama (2018). Procédés de fortification, de floculation et de formulation dans la production de biopesticide à partir des eaux usées d'industrie d'amidon à base de Bacillus Thuringiensis var. kurstaki. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 253 p.

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Résumé

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Ce projet de recherche vise à développer un biopesticide à base de Bacillus thuringiensis var kurstaki, Btk, efficace contre la tordeuse des bourgeons de l’épinette et compétitif vis-à-vis des biopesticides commerciaux. Ce projet est né dans un contexte de lutte contre cette tortricidae qui est un des ravageurs le plus destructeur des forêts du Québec et en Amérique du Nord en général. Cet insecte endémique provoque une épidémie environ tous les 30 ans, chacune durant en moyenne 20 ans, ce qui affecte grandement l’industrie forestière, qui est très importante dans l’activité économique de la province. Le coût de la matière première pour l’obtention de biopesticide à base de Btk représente jusqu’à 40% du coût global de production. En effet, ces coûts qui sont inhérents au biopesticide à base de substrat semi-synthétique réduisent son accessibilité. Afin de s’affranchir de cette contrainte, la production de biopesticide à base de Btk, grâce à des matières alternatives suscite beaucoup d’intérêt. L’usage de substrats alternatifs tels que les eaux usées d’industries d’amidon ou des boues secondaires issues du traitement des résidus agroalimentaires permettrait de réduire le coût sur l’obtention du biopesticide ainsi que la valorisation de résidus qui posent un problème de traitement et de leur élimination finale dans l’environnement. Ces matières contiennent une forte concentration de la demande chimique en oxygène (DCO), sous la forme de carbone et de sources d'azote (amidon, gluten, protéines, fibres et autres minéraux). La production du biopesticide est caractérisée par la production de Btk à partir d’un substrat dans un bioréacteur, suivie d’une étape de centrifugation pour concentrer les matières actives de ce bacille (cellules totales, spores viables, delta endotoxine, autres facteurs de virulence synthétisés par Btk) et enfin, la formulation qui conditionne le biopesticide à résister aux facteurs externes (rayons ultra-violet, précipitation, agents antibiotiques) ; Le pouvoir larvicide ou entomotoxicité du biopesticide dépendant de chacune de ces étapes. Le premier objectif de cette recherche porte sur la caractérisation et le développement de nouveaux substrats pour la culture optimale de Btk. Dans cette optique, les eaux usées d’industrie d’amidon ont servi comme substrats de culture de base pour la culture de ce microorganisme. Afin d’enrichir le substrat en matières actives de cet insecticide biologique, pour élever son potentiel entomotoxique, celui-ci a été enrichi en milieux semi-synthétiques, en acide aminé et en boues secondaires issues du traitement en anaérobie et en aérobie des eaux usées d’industrie d’amidon. Un autre objectif porte sur l’optimisation de la concentration des matières actives de Btk dans le culot issu de la centrifugation du bouillon fermenté. L’ajout d’agent coagulant-floculant durant la centrifugation permet de réduire les pertes de cellules totales, de spores viables et de deltaendotoxine dans le surnageant du bouillon fermenté centrifugé. Egalement, l’enrichissement du bouillon fermenté de matières actives de Btk par optimisation du substrat permet de réduire le nombre de centrifugations requises pour la formulation du biopesticide. L’étude sur la formulation du biopesticide à base de Btk en fonction des nouveaux substrats étudiés constitue le dernier objectif de ce projet. Les tests portant sur l’adhésivité, et la persistance du biopesticide sur les branches des sapins baumiers ont été réalisés. L’entomotoxicité, la viscosité et la taille des particules des différentes formulations développées ont également été comparées aux formulations commerciales. L’étude des substrats pour la culture de Btk montre que le SIW (eaux usées d’industriesd’amidon) est un milieu pauvre en carbone et en azote organique. L’enrichissement de celui-ci par du milieu soja à 25% entraine une synthèse importante d’endotoxine (1200µg/ml), du compte des spores viables (1,35 x 109 CFU/mL), du compte des cellules totales (1,65 x 109 CFU/mL) et de l’entomotoxicité (30 737 unité internationale/µL ou UI/µL) comparativement au milieu SIW contrôle (sans ajout de supplément) et à la préparation commerciale, Foray 76B. Ces derniers ont des pouvoirs entomotoxiques respectifs de 17 068 UI/ µL (SIW contrôle) et 20 000 UI/ µL (Foray 76B). Alors que les milieux extrait de malt contrôle, farine de maïs contrôle entrainent une faible croissance cellulaire. En outre, lorsque, les boues aérobies et anaérobies (provenant du traitement des eaux usées d’industrie d’amidon) et le SIW sont sterilisés à pH 2 et fortifiés à 30g/L dans le substrat SIW, les résultats d’entomotoxicité des formulations respectives, 20 000 UI/ µL, 20 500 UI/ µL, 22 500 UI/ µL, obtenus étaient comparables à celle du Foray 76B. Toutefois, ces pouvoirs larvicides étaient inférieurs à ceux obtenus avec la formulation SIW fortifié de soja. Par ailleurs, lorsque le milieu SIW est supplémenté d’acide glutamique, de glutamate et d’acide aspartique optimisé à 0,33g/L, la synthèse de delta endotoxine augmente significativement à 602 µg/ml comparativement au milieu SIW sans acides aminés ajoutés (519µg/ml). Le supplément du SIW par du milieu soja 25% a permis de concentrer le bouillon fermenté en matières actives de Btk. Cette concentration conduisant à obtenir un potentiel entomotoxique (21367 UI\µL) équivalent à 30 MIU/ha (Milliards D’Unités Internationales) après une concentration du bouillon fermenté par 2 fois. Ces résultats ont ainsi permis d’augmenter la productivité du procédé. Pour une entomotoxicité similaire (30 MUI/ha), un volume de 22L de formulation a été produit à partir de 100L de bouillon fermenté fortifié de soja 25%, alors que le bouillon fermenté issu du substrat de SIW traité à pH 2 et concentrée 10 fois par centrifugation a permis de produire un volume de 11L de formulation. Les résultats de floculation du bouillon fermenté après 48h de fermentation de Btk à partir du SIW montrent une activité de floculation importante à pH 5 pour une concentration de 150mg/L de chitosane et 500mg/L d’acide tannique. Cette activité de floculation se traduit par un abattement important des cellules totales (de 3.10 x 105 à 2.5 x 103 CFU\mL), des spores viables (de 3 x 105 à 2.1 x 103 CFU\mL) dans le surnageant du bouillon fermenté. Cette activité de floculation s’est également mesurée par un abattement des endotoxines dans le culot passant de 440 à 480 µg\mL. Lorsque le procédé de floculation avait lieu avant que le bouillon issu de la fermentation de Btk, soit soumis à une centrifugation, les flocs formés par le chitosane et l’acide tannique résistaient à une centrifugation (15 000 rpm) importante comparativement au contrôle. L’entomotoxicité de la formulation comportant le chitosane et l’acide tannique est de 21 000 UI\µL comparativement au contrôle de 17 000 UI\µL. L’abattement des matières actives de Btk par les floculants permet d’élever le potentiel entomotoxique de la préparation. De plus, l’acide tannique joue un rôle synergique dans l’entomotoxicité. En effet, des observations histopathologiques montrent que l'épithélium de l'intestin moyen des larves de diptère et de lépidoptère est affecté par l'acide tannique. L’optimisation de la viscosité, du lessivage, de la dispersion et de la demi-vie de l’entomotoxicité (TX0.5) des formulations étudiées (SIW, SIW fortifié de soja à 25%) a été optimisée en variant les paramètres des adjuvants (carboxymethylcellulose, xantham ghum, sorbitol et la mélasse) qui ont un effet direct sur ces paramètres. Ces différentes suspensions ont été comparées à la formulation commerciale Foray 76B. Les résultats de demi-vie portant sur l’entomotoxicité (TX0.5) des formulations étaient de 10 jours pour la formulation SIW, 12.5 jours pour la formulation SIW fortifié de soja à 25% et de 7 jours pour la formulation Foray 76B. Alors que, la viscosité optimale mesurée pour la formulation SIW était de 185 mPas, 137 mPas pour la formulation SIW fortifié de soja à 25% et 135 mPas pour Foray 76B. En outre, lorsque les formulations subissaient un test de lessivage, la formulation SIW fortifié de soja et la formulation SIW conservait de moitié le nombre de cellules totales/mL après une semaine de pulvérisation sur des branches de sapin baumier. Enfin, les tests de dispersion des matières en suspension des formulations montrent respectivement une suspension de 95% pour la formulation SIW, 96% pour la formulation SIW fortifié de soja et 98% pour Foray 76B.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Co-directeurs de mémoire/thèse: Valéro, José R.
Mots-clés libres: biopesticide; eaux usées; Btk;
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 25 sept. 2020 21:36
Dernière modification: 25 sept. 2020 21:36
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/10363

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