Production de Compost de Bagasse et mesure de son efficacité sur deux cultures

Production de Compost de Bagasse et mesure de son efficacité sur deux cultures

Les paramètres du compostage 

Microbiologie du compost 

Insam et de Bertoldi (2007) affirment que Browne en 1933 fut le premier à prouver que la chaleur produite lors du compostage était due à une activité biologique. Dans les années 30, Waksman publiait plusieurs articles sur la microbiologie du compost et fut le premier à étudier les dynamiques des populations (Waksman, 1932). Le compostage est un procédé biotechnologique très complexe et il n’est pas très évident de suivre l’évolution microbienne qui s’y déroule, parce que tout simplement, les microorganismes responsables de la dégradation et des réactions biochimiques sont très difficiles à isoler et par conséquent à 10 dénombrer (Longieras, 2005). Il est connu qu’une fraction mineure est cultivable, cela a été confirmé par Torsvik (1980) et Kandeler (2007) qu’entre 1 et 5% des microorganismes du sol peut être cultivé par les techniques couramment utilisées en laboratoire. Ainsi la méthode de dénombrement en utilisant des milieux de culture reste limitée, ce qui entraine que beaucoup de chercheurs doutent de la fiabilité de cette méthode pour la quantification de la biomasse microbienne du sol. Une alternative aux méthodes anciennes est basée sur les études moléculaires telles les techniques de biologie moléculaire, celles de la « Polymerase Chain Reaction (PCR), celles mesurant la quantité d’ATP, la biomasse microbienne. D’autres méthodes qui ne nécessitent pas de culture c’est-à-dire l’analyse des « phospholipids fatty acids » (PLFA) ou de l’extraction d’ADN ou d’ARN (Ryckeboer et al., 2003b). Plus récemment, des recherches dans l’environnement incluant le compost, utilisent les métagénomiques (Dougherty et al, 2012 ; Yeh et al, 2013). Durant un compostage, la dynamique de succession des communautés de microorganismes est très importante pour le processus de biodégradation et leur présence varie selon les conditions physico-chimiques et la nature des substrats. Les grands principaux groupes microbiens impliqués durant le compostage sont les champignons et les bactéries comprenant les actinomycètes. 

Les bactéries 

Les bactéries ont été longtemps négligées probablement à cause d’une meilleure visibilité des actinomycètes et des champignons (Insam et de Bertoldi, 2007). Elles sont unicellulaires et de petite taille (entre 0,2 et µm) ; possèdent un rapport surface/volume très élevé, leur permettant des transferts rapides de substrats solubles à l’intérieur de la cellule, ce qui assure souvent leur prédominance sur des micro-organismes de plus grandes dimensions comme les champignons (Tuomela et al., 2000). Les bactéries dominent avec les eubactéries et les actinomycètes par rapport aux champignons. Un autre avantage des bactéries est la capacité, pour certaines d’entre elles telles celles appartenant au genre Bacillus, de se protéger en produisant des spores très résistantes à la chaleur, aux radiations et aux désinfections chimiques (Haug, 1993). De plus, leur spectre d’activité est très large sur une grande gamme de pH. Les bactéries isolées dans les différents types de compost constituent une importante diversité de genres et d’activités (Albrecht, 2007). (Davis et al., 1992; Rebollido et al., 2008). Au début du processus de compostage, les bactéries mésophiles dominent et peuvent comprendre celles à 11 Gram négatif telles Pseudomonas, Klebsiella, Escherichia, Aeromonas, Alcaligenes… ; les genres à Gram positif Enterococcus, Bacillus… (Ghazifard et al., 2001). Les thermophiles prennent place lorsque la température du compost commence à atteindre plus de 40°C. Les bactéries typiques de la phase thermophile appartiennent au genre Bacillus et dominent durant cette étape (Strom, 1985; Hassen et al., 2001; Cho et al., 2008). Les Actinomycètes Parmi les bactéries, il existe un sous-groupe qui joue un rôle très important dans la dégradation : les Actinomycètes (Albrecht, 2007). Ce sont des bactéries à filaments multicellulaires et ressemblent aux champignons, beaucoup sont des saprophytes stricts et certains forment des associations parasites et mutualistes avec les plantes et les animaux (Goodfellow et Williams, 1983). Ils apparaissent aussi bien lors de la phase thermophile que pendant la phase de refroidissement et de maturation du compostage (Tuomela et al., 2000). Les principaux genres isolés des composts pendant la phase thermophile sont : Nocardia, Streptomyces, Thermoactinomyces, Micromonospora, Saccharomonospora spp. (Waksman et Cordon, 1939; Goodfellow and Williams, 1983; Strom, 1985). Les Actinomycètes, plus précisément les Streptomycètes, ont la capacité de dégrader beaucoup de polymères présents dans le sol et la litière tels la cellulose, la lignine, les hémicelluloses, la pectine, la kératine, et la chitine (Goodfellow et Williams, 1983 ; Tuomela et al., 2000 ; Kirby, 2006 ; Huang et al.,2010). Quant aux Nocardia, ils sont impliqués dans la décomposition du matériel humique bien que les Streptomycètes synthétisent aussi les composés humiques (Goodfellow et Williams, 1983). Les genres Streptomyces et Nocardia représentent plus de 90 % de leur biomasse selon Mustin (1987). 1

Les champignons

 Les champignons sont connus pour être les principaux et plus importants décomposeurs des substrats complexes lignocellulosiques (McCarthy et Williams, 1992 ; Kirby, 2006 ; Huang et al., 2010 ; Bugg et al., 2011). Au début du compostage, les Fungi compétissent avec les bactéries sur les substrats disponibles et facilement dégradables mais au fil du processus ; leur nombre diminue. En effet, la température est un des principaux facteurs qui affectent la croissance fongique ; les autres facteurs sont le niveau de pH, les sources de carbone et 12 d’azote, le taux d’humidité (Finstein et Morris, 1975 ; Tuomela et al., 2000). D’après ces auteurs, un niveau modérément élevé d’’azote est nécessaire pour la croissance fongique bien que quelques champignons, dits de la pourriture blanche, se développent à des taux d’azote bas. En effet, un milieu pauvre en azote est souvent un préalable à la dégradation de la lignine (Dix et Webster, 1995) or une carence en azote est un facteur limitant pour la dégradation de la cellulose. Pendant la phase thermophile, différents genres de champignons thermophiles ont été isolés tels Thermomyces, Penicillium, Geotrichum, Cladosporium, Aspergillus, Mucor, Rhizopus, Absidia (Finstein et Morris, 1975; Tuomela et al., 2000 ; Ghazifard et al., 2001 ; Ryckeboer et al., 2003b ; Insam et de Bertoldi, 2007 ; LeGoff et al., 2010). A la dernière étape du compostage où la température diminue, le nombre des champignons thermophiles décroit tandis que les mésophiles recolonisent le milieu (Ryckeboer et al, 2003b). 

 AutresNématodes, protozoaires, archées et algues

 En plus des principaux microorganismes (i.e. bactéries, actinomycètes et champignons) qui interviennent durant le processus de compostage, il existe d’autres organismes qui ont été retrouvés. Les nématodes sont les plus abondants des décomposeurs invertébrés et jouent un rôle important dans la maturité du compost (Mehta et al., 2014). D’après Steel et al. (2009), immédiatement après le pic de la phase thermophile, la population de nématodes du compost comprend des opportunistes qui se nourrissent essentiellement de bactéries (membres des Rhabditidae, Panagrolaimidae et Diplogastridae). Ensuite, d’autres se nourrissent soit de bactéries, soit de champignons. Durant la phase de maturation, les nématodes prédateurs qui se nourrissant de bactéries deviennent dominant (Mononchoides sp.). D’autres animaux pluricellulaires sont retrouvés dans le compost tels les microarthropodes, les larves d’insectes, les annelides et des animaux supérieurs tels les mollusques et les crustacés ; il semblerait qu’ils aient un rôle important d’homogénéisation des composts (Albrecht, 2007). Les protozoaires constituent une petite proportion de la biomasse microbienne dans le compost. Durant le processus, les protozoaires jouent un rôle important dans la décompostion de la matière organique, la suppression des maladies et le cycle des nutriments (Mehta et al., 2014). Il existe des protozoaires bactériophages connus pour avoir un effet significatif sur le 13 nombre de bactéries dans les sols et sur le cycle de l’azote du compost (Mustin, 1987 ; Hoorman et Islam, 2010 ; Mehta et al., 2014). Les algues se développent en surface en présence de lumière. Le rôle des algues est mal connu, mais leur importance dans l’évolution de la matière organique en milieu aérobie est sans doute faible (Mustin, 1987 ; Albrecht, 2007). Beaucoup d’Archées sont des thermophiles ou même des hyperthermophiles. Elles ont été isolées pour la première fois des tuyaux hypothermaux (Insam et de Bertoldi, 2007). D’après Stackebrandt et al. (1997), quelques rares cas d’Archées ont été isolées des composts mais il semblerait que ce soit des archées méthanogènes parce qu’une importante méthanogènése a été observée dans les piles de composts (Cabanas-Vargas et Stentiford, 2006). 

La température 

Lors de la dégradation aérobie, la température fait partie des facteurs les plus importants déterminant les différentes étapes du processus de compostage. Elle est en fait le facteur majeur sélectif des populations car chaque microorganisme a sa température optimale ; elle détermine aussi le taux d’activités métaboliques (Border, 2002 ;Ryckeboer et al., 2003b). Le compostage qui est un processus exothermique, est une dégradation microbienne biooxydative d’un mélange de matières organiques et la chaleur produite est suffisante pour augmenter la température de la matière organique jusqu’à 60°- 75°C sur une période de 10 jours. En effet, seulement 40 à 50% de cette énergie peut être utilisée par les microorganismes pour synthétiser l’ATP, le reste est perdu comme chaleur dans la masse (Diaz et Savage, 2007). Pour un compostage rapide, les températures élevées sur un temps long doivent être évitées. En effet, elles inhibent la plupart des microorganismes surtout mésophiles présents qui devront recoloniser le substrat lors de la phase de maturation et ralentir le processus de dégradation de la matière organique (de Bertoldiet al., 1983). Pour avoir une grande diversité microbienne, la température doit être comprise entre 30 – 45°C, une bonne hygiénisation est obtenue à une température supérieure à 55°C, quant à la biodégradation elle se fait entre 45 et 55°C (de Bertoldi et al., 1983 ; Finstein et al., 1983 ; Stentiford, 1993). 

 Le rapport C/N 

Ce rapport est très important durant le compostage fournissant le niveau du degré de biodégradabilité car le carbone et l’azote sont des sources d’énergie et de protéines respectivement pour les microorganismes (Charnay, 2005 ; Ahmad et al., 2007 ; Diaz et Savage, 2007). Beaucoup d’auteurs ont donné des valeurs initiales optimales pour un bon processus de compostage et des valeurs finales correpondant à un compost mature et stable (Francou, 2003 ; Ahmad et al., 2007 ; Diaz et Savage, 2007). Il semblerait que le ratio optimal est entre 25 et 40 et serait un préalable pour une bonne biodégradation bien que ces valeurs dépendent du type de substrat utilisé (Tuomela et al., 2000 ; Francou, 2003).

 L’humidité 

L’eau est essentielle au processus de décomposition et devient un facteur limitant aux activités microbiennes lorsqu’elle manque (Richard et al., 2002 ; Diaz et Savage, 2007). En effet, elle est produite par voie métabolique durant le compostage et s’évapore des substrats, raison pour laquelle lors du processus des arrosages sont effectués à des fréquences déterminées (Finstein et Morris, 1975 ; Diaz et Savage, 2007). L’humidité semble être le paramètre ayant la plus grande influence. Cela suggère un contrôle du procédé par l’humidité et non comme habituellement par la température (Charnay, 2005). L’humidité optimale pour une biodégradation peut varier largement selon les différents substrats et se situe entre 50 et 70% sur matière sèche (Border, 2002 ; Richard et al., 2002 ; FAO, 2005 ; Diaz et Savage, 2007 ; Potgieter, 2012) pour atteindre à la fin des valeurs aux alentours de 30%. Lorsque l’humidité est limitante c’est-à-dire une déshydratation élevée du substrat, l’activité biologique est arrêtée ou très ralentie créant ainsi un compost qui peut être physiquement stable mais biologiquement instable (de Bertoldi et al., 1983 ; Diaz et Savage, 2007 ; Potgieter, 2012). Or un excés d’eau tend à boucher les pores et empêcher les échanges gazeux, entrainant ainsi un process en anaérobiose. 

 Le pH

 C’est un paramètre très important durant le processus car le pH du substrat détermine le type de microorganisme qui y intervient, étant donné que chaque microorganisme a son optimum de pH pour une meilleure activité (Border, 2002). Ainsi durant le compostage, initialement des substances à large gamme de pH (3-12) peuvent être compostées (FAO, 2005 ; Ahmad et al., 2007 ; Diaz et Savage, 2007). Toutefois l’optimum se trouve entre 5 et 8 car à des pH faibles, il y’a une chute au début à des valeurs très acides due à l’activité des bactéries formant de l’acide qui dégradent la matière organique (Sundberg et al., 2004 ; Diaz et Savage, 2007). A des valeurs plus élevées de pH, une grande quantité d’ammoniaque est libérée dans l’atmosphère (FAO, 2005). 1.2.6. La Capacité d’Echange Cationique (CEC) C’est un paramètre souvent déterminé lors du compostage et qui correspond à la quantité maximale de cations (ions positifs) que la matrice peut adsorber, autrement dit, la CEC traduit le pouvoir de fixation du sol vis à vis des éléments nutritifs chargés positivement. Elle est exprimée en milliéquivalents par cent grammes (meq/100g) ; elle se situe entre 1 et 100 meq/100g (Reganold et Harsh, 1985). La CEC évolue dans le même sens que le pH du fait de la libération de charges négatives avec l’augmentation du pH (Francou, 2003) et régule la mobilité des ions métalliques (Tittarelli et al., 2007). Le processus d’humification produit des groupes fonctionnels et augmente l’oxydation de la matière organique, provoquant ainsi un accroissement de la CEC (Larbi, 2006 ; Albrecht, 2007). Ainsi durant le compostage, une augmentation progressive de la CEC est notée et une CEC supérieure à 60 meq/100g est nécessaire pour considérer un compost comme mûr (Jimenez et Garcia, 1991 ; Negro et al., 1999) et la valeur de CEC est cependant fortement influencée par la composition des intrants (Larbi, 2006). 

 L’aération

 L’aération qui correspond à un apport d’oxygène détermine le compostage qui est un processus aérobie car nécessitant des grandes quantités d’oxygène indispensables pour un bon déroulement (FAO, 2005). Ainsi, l’aération est importante ; elle permet la fourniture d’air aux 16 organismes décomposeurs car si l’air est limitant, leur croissance diminue, ce qui a pour effet de ralentir la décomposition. Elle chasse aussi les gaz produits par la biodégradation (Chakroune et al., 2005 ; Diaz et Savage, 2007). L’apport d’oxygène réduit l’humidité initiale si elle est trop élevée, améliore l’homogénéité du substrat et diminue une possible élévation de température (Charnay, 2005) dans les climats chauds, compte tenu des risques plus élevés de surchauffe et d’incendie (FAO, 2005). Les systèmes d’aération sont divers et variés : retournements mécaniques, aération forcée ou pilotée, avec ou sans recirculation (Bari et Koenig, 2001). 

 La teneur en matière organique 

La matière organique, source de carbone et d’azote, comprend des composés déjà disponibles pouvant être assimilées directement par les microorganismes, et d’autres plus complexes qui doivent d’abord subir une dégradation enzymatique avant leur assimilation. Au cours de la biodégradation, la matière organique est minéralisée entrainant ainsi à une diminution relative de matière organique (rapport entre la masse de matière organique perdue et la masse de matière organique initiale) ; qui est très variable en fonction des conditions de compostage et de la durée de celui-ci (Francou, 2003 ; Charnay, 2005). La matière organique est importante pour la fertilité du sol car elle joue un rôle essentiel dans les propriètés du sol telles sa capacité de rétention d’eau, son pH, sa complexation, sa structure…

Les types de substrats 

Le substrat à composter est une source de nutriments pour les microorganismes. Il existe les macronutriments tels le carbone (C), l’azote (N), le phosphore (P) et le potassium (K) et les micronutriments cobalt (Co), manganèse (Mn), magnésium (Mg), cuivre (Cu), ainsi que d’autres éléments. Quant au Calcium (Ca), il est entre les macro et les micronutriments et jouerait un rôle de tampon durant le processus de compostage. Ces nutriments peuvent être sous une forme directement assimilable par la flore, mais ils peuvent aussi être sous une forme qui doit subir une transformation enzymatique avant assimilation.