Hydrolyse et oxydation partielle des boues d'épuration comme substrat pour produire Bacillus thuringiensis HD-1. (2004)

Dans la conjoncture actuelle, le développement démographique couplé à la mondialisation croissante de&#13;\nl'économie consomment à un rythme effrayant des ressources et génère des tonnes de déchets dont il&#13;\nfaut disposer de façon sécuritaire et économique. L'intégration de la fabrication de produits à valeur&#13;\najoutée comme méthode économique pour valoriser les déchets est une solution durable aux problèmes&#13;\nd'exploitation massive des ressources renouvelables ou non renouvelables et de la gestion des résidus.&#13;\nEffectivement, certains déchets comme les boues d'épuration peuvent devenir une matière première&#13;\nabondante, économique et porteuse de caractéristiques nutritives stimulantes pour l'obtention de&#13;\nproduits microbiens. Dans ce contexte, un procédé de bioconversion des boues d'épuration municipales&#13;\nen bio-insecticide (B. thuringiensis ou Bt) a été développé à l'INRS-ETE et s'apprête à être&#13;\ncommercialisé. Ce bioprocédé, appelé temporairement « procédé BT-INRS », utilise les boues&#13;\nd'épuration comme matière première pour produire à coût moindre une souche entomopathogène de Bt.&#13;\nCe procédé innovateur est au prise avec deux facteurs qui limitent le rendement de Bt en termes&#13;\nd'entomotoxicité, de spores produites et d'activité protéolytique. La faible disponibilité des éléments&#13;\nnutritifs dans les boues pourrait être accrue afin que Bt puisse produire à pleine capacité ses produits&#13;\ninsecticides. De plus, le procédé ne peut pas utiliser des boues contenant plus de 25 g/l de matière en&#13;\nsuspension (MES) en raison des caractéristiques rhéologiques des boues. Une plus forte concentration&#13;\nen MES fournirait à Bt plus d'éléments nutritifs pour produire davantage de produits insecticides.&#13;\nFinalement, une question persiste sur la performance du procédé BT-INRS : malgré une concentration&#13;\nen spores de Bt inférieure au milieu conventionnel à base de soja, pourquoi une plus forte&#13;\nentomotoxicité est observée dans les boues ? Des auteurs scientifiques ont démontré une corrélation&#13;\npositive entre les spores et l'entomotoxicité, alors que d'autres affirment qu'il n'en existe pas. Il est&#13;\nimportant de vérifier où le procédé BT-INRS se situe dans ces allégations.&#13;\nLe présent projet avait pour but de développer une stratégie pour améliorer le rendement de Bt dans les&#13;\nboues d'épuration. La stratégie développée consiste en une hydrolyse (alcaline ou thermo-alcaline),&#13;\nseule ou en combinaison avec une oxydation partielle (utilisant du H₂0₂ comme agent oxydant). Elle&#13;\nparvient à accroître considérablement le rendement de Bt dans les boues. Des analyses sur la&#13;\ncomposition des boues après leur traitement ont été effectuées afin de déceler les facteurs responsables&#13;\ndes hausses de rendements. Finalement, des tests d'entomotoxicité sur les différentes fractions des&#13;\nboues fermentées par Bt (culot, surnageant, spores et cristaux protéiques purifiés) et du milieu&#13;\nconventionnel de production (à base de soja) ont été réalisés pour expliquer les hausses&#13;\nd'entomotoxicité et définir avec détails la relation spore-entomotoxicité dans les boues.&#13;\nLes boues mixtes et secondaires du traitement des eaux usées municipales ont été utilisées dans ce&#13;\ntravail comme milieu de fermentation pour produire la souche entomopathogène HD-l du sérovar&#13;\nkurstaki de Bacillus thuringiensis (Btk HD-I). L'hydrolyse acide, alcaline et thermique ainsi que&#13;\nl'oxydation avec H₂0₂ ont été proposées et testées. Suite à des essais préliminaires, l'hydrolyse alcaline,&#13;\nl'hydrolyse thermo-alcaline et la combinaison de l'hydrolyse thermo-alcaline avec l'oxydation partielle&#13;\nont été sélectionnées parce qu'elles augmentaient de plus de 50% l'entomotoxicité de Btk HD-l dans&#13;\nles boues mixtes et/ou secondaires. La solubilisation des protéines et du carbone organique, la présence&#13;\nde forte teneur en sodium après les hydrolyses ainsi que la réduction de la viscosité ont été identifiés&#13;\ncomme les facteurs responsables de ces augmentations. Les traitements ont ensuite été optimisés en&#13;\nfioles Erlenmeyer avec un plan composite centré et la méthodologie de réponse en surface. Des&#13;\nconditions optimales ont été établies pour chaque traitement et elles ont été vérifiées en fioles&#13;\nErlenmeyer. Finalement, les conditions optimales de l'hydrolyse alcaline et thermo-alcaline ainsi que du&#13;\ntraitement thermo-oxydant ont été éprouvées avec succès en fermenteur de 15 litres. Des&#13;\nentomotoxicités entre 17,4x10³ et 19,0x10³ UI/µ1 ont été obtenues dans les boues traitées (contenant&#13;\njusqu'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&#13;\n1,9 fois supérieures au milieu conventionnel à base de soja.&#13;\nCe travail a permis de conclure que l'hydrolyse alcaline, l'hydrolyse thermo-alcaline et la combinaison&#13;\nde l'hydrolyse thermo-alcaline avec l'oxydation partielle sont trois traitements des boues qui accroissent&#13;\nle rendement de Btk HD-I cultivée dans les boues d'épuration, spécialement en terme&#13;\nd'entomotoxicité. Elles permettent aussi d'utiliser une plus grande concentration de MES pour la culture&#13;\nde Btk dans les boues. De plus, les boues stimulent la formation de spores, de cristaux protéiques&#13;\ninsecticides et de métabolites insecticides solubles de Btk HD-l qui sont plus actifs en terme&#13;\nd'entomotoxicité. Les boues secondaires, hydrolysées ou non hydrolysées, permettent d'obtenir des&#13;\nentomotoxicités spécifiques (par spores ou protéines solubles) plus élevées que dans le milieu soja. Les&#13;\nspores de Btk HD-l produites dans les boues d'épuration mixtes sont plus entomotoxiques que celles&#13;\nproduites dans les boues secondaires et le milieu conventionnel à base de soja. Les cristaux protéiques&#13;\ninsecticides de Btk HD-I produits dans les boues secondaires sont plus entomotoxiques que ceux&#13;\nproduites dans les boues mixtes et le milieu conventionnel à base de soja. La stratégie développée dans&#13;\nle cadre de ce travail fait l'objet d'une demande de brevet.&#13;\n