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La lignocellulose
La lignocellulose est le composant principal de la paroi cellulaire végétale et le biopolymère le plus abondant sur la Terre. La principale fonction de la lignocellulose est d’assurer les résistances mécanique et physique des cellules végétales. L’agriculture produit plus de 2.10¹⁴ tonnes de biomasse lignocellulosique par an (Sawatdeenarunat et al., 2015), dont une grande partie est brûlée ou considérée comme déchets. Dans le contexte de réchauffement climatique et de réduction de l’utilisation des ressources fossiles, l’utilisation de cette biomasse pour la production d’énergie est devenue un enjeu majeur. Du fait d’une teneur en eau assez élevée, sa combustion n’est pas intéressante, d’autant qu’elle est riche en polysaccharides et composés aromatiques pouvant être valorisés sous forme de biocarburants, bioplastiques et synthons d’intérêt industriel. Néanmoins, les propriétés de résistance de la lignocellulose, bien qu’intéressantes pour les plantes en termes de défenses et de maintien de leur intégrité, la rendent difficilement hydrolysable pour en récupérer les sucres fermentescibles et est un facteur limitant pour son utilisation comme source de carbone renouvelable (Yang et al., 2015; Marriott et al., 2016).
Composition de la lignocellulose
La lignocellulose est une matrice hétérogène composée de trois fractions principales : la cellulose (35-50 % du poids sec), les hémicelluloses (20-35 %) et les lignines (5-30 %) (Lynd et al., 2002). Elle présente également des fractions minoritaires : des pectines, des cendres, des sucres solubles, des protéines et des minéraux (Vassilev et al., 2012). Le pourcentage de chaque fraction dépend de l’espèce, de la maturation, des tissus et des organes de la plante (racine, tige, feuille) et les conditions dans lesquelles la plante croît (Wilson, 1993).
La cellulose
La cellulose est le composant majeur des parois végétales (35-50% du poids sec en moyenne) et est le biopolymère le plus abondant sur la planète avec une production totale estimée à 10¹¹-10¹² tonnes par an (Lynd et al., 2002; Foroughi et al., 2021). La cellulose est un homopolymère insoluble, relativement stable, et linéaire dont la formule chimique est (C5H10O5)n.
La cellulose est constituée de molécules de β-D-glucose reliées par des liaisons β-(1,4) avec un degré de polymérisation n variant de 300 à 14 000 unités .
Les chaînes de cellulose se regroupent ensemble en microfibrilles en formant des structures cristallines ordonnées, dont la taille peut varier de 2 nm à 20 nm . Les microfibrilles de cellulose s’associent entre elles pour donner des structures ordonnées de taille plus importante appelées macrofibrilles. Ces dernières peuvent également se regrouper en fibres de cellulose, constituant ainsi une structure stable et organisée (Bayer et al., 1998).
L’assemblage des chaînes de cellulose n’est pas homogène et présente deux états structuraux différents: la cellulose amorphe et la cellulose cristalline (Larsson et al., 1997). Les régions amorphes présentent un assemblage non ordonné et aléatoire des chaînes de cellulose tandis que les régions cristallines sont caractérisées par des chaînes de cellulose liées de manière ordonnée par des liaisons hydrogène, formant alors un motif cristallin. Les régions cristallines confèrent à la lignocellulose un caractère difficilement biodégradable, peu soluble en solution aqueuse et gonflant en présence d’eau. La lignocellulose peut être caractérisée par son degré de cristallinité (ratio entre la quantité de cellulose cristalline et cellulose amorphe) à l’aide de techniques analytiques comme la cristallographie par rayons X ou la spectroscopie à infrarouge (O’Sullivan, 1997).
Les hémicelluloses
La composition des hémicelluloses est très variable et dépend essentiellement de l’espèce et du stade de développement des plantes (20-35% du poids sec). Les hémicelluloses sont des hétéropolysaccharides linéaires ou branchés, nommées en fonction de l’ose (pentose ou hexose) le plus présent dans le squelette principal. On y retrouve les xylanes (enchaînement de β-D-xyloses reliés par des liaisons β (1,4)), les mannanes (enchaînement de β-D-mannoses reliés par des liaisons β-(1,4)), les β-glucanes (enchaînement de β-D-glucoses reliés par des liaisons mixtes β-(1,4) et β-(1,3)), les arabinogalactanes (enchaînement de α-D-galactoses et α-Larabinoses), et les xyloglucanes (enchaînement de β-D-xyloses et β-D glucoses) (Gírio et al., 2010).
Les chaînes principales peuvent être ramifiées par des chaînes latérales constituées de divers motifs (α-L-arabinose, β-D-xylose, α-D-galactose, α-L-fucose, α-L-rhamnose, acide α-Dglucuronique, α-D-acide galacturonique, α–D-4-O acide méthylglucuronique, acide férulique, acide p-coumarique ou groupements acétyles) (Pérez et al., 2002). Le degré de polymérisation dépend du tissu et de l’espèce végétale mais est moins important que celui de la cellulose, avec une moyenne de 160 unités. Par contraste avec la cellulose, les hémicelluloses sont plus facilement hydrolysables par voie enzymatique ou par voie chimique puisqu’une partie est soluble en milieux aqueux alcalin (Gírio et al., 2010).
Les xylanes sont un groupe important des hémicelluloses constituant les cellules végétales des céréales et des graminées (jusqu’à 30% de la composition, Vassilev et al., (2012)). Ils sont constitués de chaînes principales de β-(1,4)-xyloses pouvant être substitués par des chaînes latérales constituées de manière variable d’α-L-arabinofuranoses, d’α-D-galactoses, d’α-D-acide glucuronique et d’acides férulique (Raven et al., 2014).
La lignine
La lignine est une fraction représentant 5 à 20% du poids sec des tiges herbacées, 15 à 35% des tiges ligneuses, et jusqu’à 25 à 40% du bois, Vassilev et al., (2012)). La lignine est un polymère phénolique et ramifié de haut poids moléculaire. Elle résulte de la polymérisation tridimensionnelle de trois monolignols qui sont : l’alcool ρ-coumarylique ou sous unité H (p-hydroxyphényle), l’alcool coniférylique ou sous unité G (guaïacyle ou 4-hydroxyl-3- methoxyphenyl) et l’alcool sinapylique ou sous unité S (syringyle ou 4-hydroxy3,5dimethoxyphenyl) . La proportion de chaque monolignol varie en fonction de l’origine de la plante (Pandey and Kim, 2011). De par sa structure, la lignine assure un rôle de barrière physico-chimique contre les agents pathogènes.
La lignine possède une structure amorphe, complexe et apparaît comme aléatoire et désorganisée (Vassilev et al., 2012). En raison de son caractère hydrophobe (Yang and Pan, 2016), la lignine représente un obstacle majeur pour l’hydrolyse des fibres de lignocellulose .
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Table des matières
Introduction générale
I. Chapitre 1 – Etat de l’art
A. La lignocellulose
1. Composition de la lignocellulose
2. Structure de la lignocellulose
3. Hydrolyse de la lignocellulose
B. La bioraffinerie lignocellulosique
1. De la lignocellulose aux carboxylates
2. Stratégies d’optimisation de la production de carboxylates
C. Approches omiques pour la compréhension des consortia microbiens lignocellulolytiques
1. Le métabarcoding 16S
2. L’analyse métaprotéomique
3. Limite des techniques omiques
II. Chapitre 2 – Matériel et méthodes
A. Substrats utilisés
1. Les résidus de paille de blé bruts
2. Les résidus de paille de blé prétraités
3. Les résidus de maïs bruts
B. Origine des consortia microbiens
1. Inocula dérivés de rumen bovin
2. Inoculum issu d’intestin de termite supérieur
C. Mise en œuvre des bioréacteurs
1. Enrichissement d’un consortium microbien
2. Essais de stabilité face à la cryo-conservation et mise à l’échelle
3. Cinétiques de caractérisation du consortium microbien
D. Analyses macrocinétiques
1. Dosage des acides gras volatils par chromatographie à phase gazeuse
2. Suivi des gaz produits
3. Dosage de l’activité xylanase
E. Analyses omiques
1. Caractérisation de la diversité microbienne par métabarcoding 16S
2. Caractérisation de la diversité fonctionnelle et taxonomique des protéines par analyse métaprotéomique
III. Chapitre 3 – Analyse métaprotéomique des consortia microbiens lors de la dégradation de la lignocellulose pour la production des AGV
A. Introduction
B. Horizontal metaproteomics and CAZymes analysis of lignocellulose decomposition by microbial consortia derived from cow rumen and termite gut
1. Abstract
2. Introduction
3. Materials and methods
4. Results
5. Discussion
6. Conclusions
7. Additional files
8. Acknowledgements
9. Funding
10. Author contributions
C. Conclusion
IV. Chapitre 4 – Analyse métaprotéomique de la réponse fonctionnelle d’un consortium microbien face aux modifications du substrat induites par des prétraitements
A. Introduction
B. Impact of substrate changes induced by dry-alkali pretreatment on the lignocellulolytic bioconversion of rumen-derived microbial consortium
1. Abstract
2. Introduction
3. Materials and methods
4. Results and discussion
5. Conclusions
6. Additional files
7. Funding
8. Author contributions
C. Conclusion
Conclusion générale
