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Prospection des microorganismes d’intérêt dans les flux agroindustriels algériens et leur utilisation dans la valorisation de la biomasse lignocellulosique

par Chaoua, Samah
Président du jury George, Isabelle
Promoteur Flahaut, Sigrid ;Kacem Chaouche, Noreddine
Publication Non publié, 2024-07-10

Thèse de doctorat

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Résumé :

La lignocellulose est un biopolymère complexe, abondant et renouvelable, présent dans les parois cellulaires des plantes, qui est composé de lignine, de cellulose et d'hémicellulose. La lignocellulose fait l'objet de nombreuses recherches ces dernières années, notamment dans le contexte des applications en bioénergie (bioéthanol, biogaz, ...), la production de produits chimiques (phénols, sucres, ...) et produits biobasés (bioplastique, nanocellulose,...). L'utilisation de la lignocellulose comme matière première peut contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre associées à l’usage des combustibles fossiles et ainsi diminuer l’impact de ceux-ci sur le changement climatique. Cependant, il reste encore des défis à surmonter, tels que l'optimisation de la sélection et de la préparation de la matière première, l'amélioration de l'efficacité des processus de conversion de la lignocellulose, et le développement de chaînes d'approvisionnement durables pour la biomasse lignocellulosique.Dans ce contexte, nous avons étudié diverses biomasses lignocellulosiques inexploitées en Algérie, notamment les tiges d'alfa, les palmes sèches, les grignons d'olive, les cônes de pin et les déchets de tomates, et analysé leurs compositions chimiques. Chaque biomasse a une composition spécifique, reflétée dans les concentrations différentes de cellulose, d'hémicellulose, de lignine et d'azote. Des micro-organismes capables de produire des enzymes, qui peuvent agir sur la lignocellulose, telles que la cellulase, la xylanase et la laccase ont été cultivés sur ces bioressources : les déchets de tomates se sont révélés être le substrat le plus adapté pour la production de ces enzymes. Une souche identifiée comme Trametes versicolor K1 était un bon producteur de laccase dans des conditions de culture submergées. Dans ces conditions, son développement sur les déchets de tomates a permis également une accumulation de saccharose et de sucres réducteurs. Ces déchets abondants en Algérie et dans le monde, représentent un intérêt potentiel pour des applications liées à la production de sucres, et à la production d'enzymes intervenant dans la biodégradation de la lignocellulose, en particulier la laccase.Les caractéristiques et l'efficacité catalytique de la laccase produite par T. versicolor K1 sur les déchets de tomates ont été établies. Nous avons purifié les laccases produites sur le milieu de culture à base de déchets de tomates et sur un milieu de culture standard au glucose. L'ajout de peptone, comme source d’azote organique, dans la composition du milieu à base de déchets de tomates a significativement augmenté l'activité de la laccase détectée dans le milieu extracellulaire. La laccase jaune, non glycosylée, produite sur les déchets de tomates a montré des caractéristiques presque identiques à celles de la laccase glycosylée bleue produite sur le milieu standard. Cependant, l'activité spécifique de la laccase produite à partir des déchets de tomate est plus élevée, elle possède une plus grande stabilité au pH alcalin et une plus grande thermorésistance à 60°C. Ainsi, cette laccase fongique produite à partir d’un substrat simple et économique, présente des propriétés catalytiques similaires à celles des laccases produites sur des milieux standards. Par conséquent, elle possède un grand potentiel pour être utilisée dans diverses applications biotechnologiques, telles que la bioremédiation et la biodégradation des composés phénoliques.1Pour optimiser l’extraction de molécules à partir des déchets de tomates, trois approches respectueuses de l'environnement, notamment les champs électriques pulsés (CEP), le traitement à la laccase et le traitement fongique avec la souche T. versicolor K1, ont été étudiées. Deux paramètres ont été retenus : l’extraction de sucres et de phénols. Seul le traitement aux CEP a permis une accumulation de composés phénoliques, tandis que la présence de la laccase, au cours des deux autres traitements, a induit une diminution de ces derniers. Au cours du traitement fongique, les activités maximales de laccases mesurées dans les conditions submergées et semi-solides étaient comparables. Globalement, les plus grands rendements ont été obtenus avec le traitement par les CEP suivi d’un traitement fongique réalisé en conditions semi-solides. Cette démarche représente une approche intéressante pour récupérer des laccases, des phénols et des sucres à partir des déchets de tomates, offrant de nouvelles perspectives pour la valorisation de ce déchet.Les prochains travaux devront se concentrer principalement sur l’étude de la valorisation des déchets de tomates à grande échelle et sur l'optimisation des paramètres du traitement aux CEP ainsi que ceux du traitement fongique par T. versicolor K1, en conditions semi-solides, appliquées à cette biomasse. Cela permettra de développer un processus plus efficace et durable pour recycler les déchets de tomates et promouvoir une économie circulaireLignocellulose is a complex biopolymer found in plant cell walls, which is composed of lignin,cellulose, and hemicellulose. It is abundant, renewable, and represents a potentially valuablesource of energy and chemical building blocks. As such, lignocellulose has been the focus ofintense research in recent years, particularly in the context of developing sustainable biofuelsand other bioproducts. Additionally, the use of lignocellulose as a feedstock can help mitigateclimate change by reducing greenhouse gas emissions associated with fossil fuels. The interestin lignocellulose research reflects a broader shift towards more sustainable and environmentallyfriendly technologies and practices, and the recognition that lignocellulose has the potential toplay a key role in the transition towards a more sustainable and circular economy. However,there are still challenges to be overcome, such as improving the efficiency and reducing the costof lignocellulose conversion processes, optimizing feedstock selection and preparation, anddeveloping sustainable supply chains for lignocellulosic biomass.In this context, we investigated various potential unexploited Algerian lignocellulosicbiomasses including Alfa stems, dry palms, olive pomace, pinecones, and tomato waste, andanalyzed their chemical compositions. Each biomass had a unique composition, with differentamounts of cellulose, hemicellulose, lignin, and nitrogen. The enzymatic breakdown oflignocellulose is a crucial step in the bioconversion process; however, it requires the selectionof suitable microorganisms capable of producing the necessary lignocellulolytic enzymes. Tothis end, twelve microorganisms capable of producing enzymes including cellulase, xylanase,and laccase were selected. Tomato waste was found to be the most suitable substrate for enzymeproduction, while the identified strain Trametes versicolor K1 was the only strain able toproduce the three enzymes, particularly laccase, under submerged conditions. Moreover, T.versicolor K1 showed reducing sugar accumulation on tomato waste, suggesting its potentialfor environmental and industrial applications. Indeed, abundant lignocellulosic biomasses inAlgeria, such as tomato waste, could be used as a good source of sugars, particularly sucrose,and as a suitable substrate for lignocellulolytic enzyme production, particularly laccase.To explore the characteristics and catalytic efficiency of laccase produced by T. versicolor K1on tomato waste, we purified the laccases produced on both tomato waste and glucose standardmedia. The addition of peptone in tomato waste based-medium significantly increased laccaseactivity. The yellow non-glycosylated laccase (TmtLac) produced on tomato waste showedalmost identical characteristics to the blue glycosylated laccase produced on the standardmedium, with both enzymes having an apparent protein size of 63 kDa and similar kineticproperties, but the specific activity of TmtLac was higher. Although the two laccases had thesame optimal pH and temperature, TmtLac showed greater stability at alkaline pH and highertolerance to 60 ◦C for 24 h. In fact, laccase produced on tomato waste, a simple and cost-effective substrate, has good catalytic properties similar to laccases produced on standardmedia. Therefore, it has great potential to be used in various applications in biotechnology.To further optimize the valorization of lignocellulosic biomass, the application of several eco-friendly approaches including pulsed electric fields (PEF), laccase (TmtLac) treatment, andfungal treatment with T. versicolor K1, was investigated to explore tomato waste’s potential as3a source of sugars and phenols. All the treatments increased the sugar levels, with thecombination of PEF and fungal treatment in semi-solid conditions resulting in the highestincrease. However, only PEF treatment increased the phenol levels, while the presence oflaccase induced a significant reduction in phenolic compounds. After hydrolysis, fungaltreatment in semi-solid conditions registered the highest yields of sugars and phenols. Laccaseproduction was monitored during fungal treatment, and maximal activities achieved werecomparable between submerged and semi-solid conditions. Actually, PEF followed by fungaltreatment in semi-solid conditions represents a potential cost-effective approach for recoveringphenols and sugars from tomato waste, providing new prospects for its valorization.Further studies should focus on optimizing the parameters for upscaling laccase production byT. versicolor K1 and exploring various treatment characteristics applied to tomato waste. Thiswill enable us to develop more efficient and sustainable processes for utilizing tomato wasteand promoting a circular economy.