Nouvelles de l'industrie

Caractéristiques de transformation du carbone organique à différentes fractions de poids moléculaire lors du compostage des déchets alimentaires

Publié le by admin

Les déchets alimentaires sont couramment valorisés par compostage aérobie, mais les variations de la teneur en carbone organique soluble dans l'eau (COSE) selon les fractions de masse moléculaire (MM) restent mal connues. Cette étude visait à quantifier comment différentes stratégies de compostage influencent la distribution et l'évolution de la composition du COSE et à identifier les principaux facteurs physico-chimiques. Les déchets alimentaires ont été traités par compostage conventionnel de 30 jours (CK), par inoculation progressive de 15 jours (JJ ; 2 % (m/m) d'un consortium antioxydant dominé par Bacillus/Pseudomonas, suivi de 2 % (m/m) d'un consortium cellulolytique thermophile enrichi en Geobacillus/Paenibacillus lorsque la température atteignait 50 °C), et par compostage thermophile rapide de 24 h (RC ; 2 % (m/m) d'inoculation avec un prétraitement à la chaleur humide de 24 h). Le témoin (RC) a produit un composé riche en carbone organique de faible masse moléculaire (SMOC) et peu aromatique, avec une masse moléculaire inférieure à 5 kDa représentant 68.21 % (28.50 % pour les masses moléculaires inférieures à 500 Da). Le témoin JJ a enrichi préférentiellement les composés organiques plus oxydés, de type fulvique/carboxylique, augmentant la contribution des composés de type fulvique de 15.97 % à 35.40 % et portant le rapport HMOC/SMOC à 2.72:1. Le témoin CK a présenté l'humification la plus importante, avec une masse moléculaire supérieure à 5 kDa atteignant 65.56 % et une augmentation de la région V (de type humique) de 26.25 % à 66.36 %. Le pH était le principal facteur prédictif de la masse moléculaire (jour 6 : CK 3.9 ; JJ 4.9 ; pH final ~8.8), tandis que la température influençait conjointement la formation de composés de type humique dans le témoin (RC).

1. Introduction
 
Sous l'effet du développement économique mondial et de la hausse de la consommation, la production de déchets solides municipaux, notamment de déchets alimentaires, a connu une augmentation rapide à l'échelle mondiale. En 2022, environ 1.02 milliard de tonnes de déchets alimentaires ont été produites dans le monde, contribuant de manière significative aux émissions de gaz à effet de serre. Le compostage aérobie offre une solution efficace pour stabiliser les déchets alimentaires et transformer les matières organiques instables en substances plus humifiées et bénéfiques pour l'agriculture. 
 
Néanmoins, la transformation des fractions de carbone organique, notamment les modifications de la distribution des masses moléculaires et des caractéristiques de composition lors du compostage, demeure insuffisamment caractérisée, ce qui limite l'optimisation du procédé et le contrôle de la qualité du produit. Grâce à leur forte teneur en eau et à leur abondance en matière organique, les déchets alimentaires peuvent constituer une matière première prometteuse pour la valorisation énergétique ou la production d'engrais. Par conséquent, la valorisation efficace des déchets alimentaires représente un enjeu crucial pour la gestion environnementale et le développement durable.
 
Parmi les différentes stratégies de traitement, le compostage aérobie est largement utilisé en raison de sa technologie éprouvée et de la valeur agronomique des produits obtenus. Lors du compostage, la matière organique est transformée biochimiquement en substances humiques stabilisées, ce qui atténue les risques environnementaux tout en recyclant les nutriments. Cependant, le compostage conventionnel est souvent limité par un démarrage lent et des cycles de traitement longs, notamment lors de la décomposition de composants récalcitrants tels que la lignine. L'inoculation avec des consortiums microbiens exogènes a été utilisée pour accélérer l'humification, améliorer la conversion de la matière organique et accroître la stabilité du compost.
 
Le poids moléculaire est un déterminant clé de la biodisponibilité et du rôle fonctionnel du carbone organique dans les processus environnementaux. Le carbone organique de poids moléculaire inférieur à 600 Da est classé comme carbone organique de faible poids moléculaire (COFPM). Il est facilement transporté dans les cellules microbiennes et peut participer directement aux processus métaboliques, jouant ainsi un rôle essentiel dans le cycle des nutriments. En revanche, le carbone organique de haut poids moléculaire (COHPM, PM > 5 kDa), incluant la lignine et les substances humiques, est généralement plus récalcitrant et doit être dégradé par voie enzymatique pour devenir biodisponible. Lors de l'humification, le COFPM est principalement consommé aux premiers stades, tandis que le COHPM s'accumule progressivement par condensation et aromatisation, aboutissant finalement à des substances humiques stables. Cette approche basée sur le poids moléculaire est essentielle pour comprendre les mécanismes d'humification et optimiser la valorisation des déchets organiques.
 
Les traitements biologiques peuvent moduler la dynamique des fractions de carbone organique et ainsi influencer le processus d'humification. L'inoculation de consortiums microbiens exogènes favorise la dégradation de la matière organique, augmente la formation de carbone organique microbien (COM) et accélère la synthèse des substances humiques, raccourcissant ainsi le cycle de compostage. Le processus d'humification peut être conceptualisé comme trois voies interconnectées : le COM est soit directement assimilé par les micro-organismes, soit converti par condensation en précurseurs humiques, soit minéralisé en produits inorganiques (CO₂, H₂O, NH₃). Par conséquent, l'interconversion entre le COM et le carbone organique humique (COH) peut être directement régulée par les traitements biologiques, déterminant ainsi la composition, les caractéristiques moléculaires et la qualité des substances humiques résultantes.
 
L'essence du compostage réside dans la minéralisation et l'évolution structurale de la matière organique soluble dans l'eau (MOSE), hautement réactive et constituant l'interface principale du métabolisme microbien. La MOSE est un mélange hétérogène de carbone organique microbien (COM, par exemple, acides aminés, monosaccharides) et de carbone organique microbien (COM, par exemple, substances humiques, protéines, polysaccharides et lignine), caractérisé par divers groupes fonctionnels (par exemple, carboxyle, phénolique, carbonyle et amine). Les variations de la composition de la MOSE peuvent influencer les voies métaboliques microbiennes et induire des modifications de la structure et de la fonction des communautés microbiennes. L'élucidation des changements dynamiques et de la succession structurale des fractions de carbone organique dans la MOSE est donc cruciale pour comprendre les mécanismes d'humification et améliorer l'efficacité de la valorisation des déchets organiques. Les techniques spectroscopiques, chromatographiques, de spectrométrie de masse, de microscopie électronique et électrochimiques ont été largement utilisées, et les approches spectroscopiques se sont révélées particulièrement prometteuses pour la caractérisation des fractions de carbone organique, des groupes fonctionnels et de l'évolution structurale.
 
Les amendements de sol conventionnels sont généralement conçus pour améliorer la structure des agrégats du sol et reposent donc principalement sur le carbone organique du sol de haute masse (HMOC), tandis que le rôle du carbone organique du sol de faible masse (SMOC) dans la stimulation du métabolisme microbien et la promotion du cycle des nutriments a été peu étudié. Face à cette lacune conceptuelle, la présente étude ne vise pas à évaluer l'efficacité des amendements de sol, mais établit plutôt un cadre de caractérisation fractionnée pour quantifier comment différentes stratégies de compostage remodèlent les fractions de carbone de la matière organique du sol (WSOM). Plus précisément, nous comparons le compostage conventionnel (CK), l'inoculation par phases (JJ) et un procédé thermophile à cycle court (RC) en intégrant le fractionnement par masse moléculaire par ultrafiltration avec les techniques EEM-FRI/PARAFAC, le profilage des groupes fonctionnels par FTIR et les indices optiques dérivés de la spectroscopie UV-Vis. Nous formulons l'hypothèse que ces stratégies présenteront des trajectoires de transformation de la WSOM distinctes, reflétées par des différences dans la distribution des masses moléculaires et les signatures spectroscopiques/optiques, ainsi que leur covariation avec des paramètres physico-chimiques clés (pH, température, matière organique et carbone organique total). Les indicateurs standardisés de qualité du compost (par exemple, les nutriments, les métaux lourds, la phytotoxicité) et les critères d'évaluation des performances du sol et des plantes n'ont pas été évalués ici et sont donc considérés comme prioritaires pour une validation future.
 
2. Matériaux et méthodes
 
2.1 Prélèvement et préparation des échantillons
 
Des échantillons de déchets alimentaires ont été prélevés dans des cafétérias locales et homogénéisés. La caractérisation initiale comprenait la teneur en humidité, le carbone organique total (COT), l'azote total (NT) et le rapport C/N.
 
2.2 Expérience de compostage
 
Le compostage a été réalisé dans des réacteurs isolés de 50 L, sous conditions d'aération et d'humidité contrôlées. La température, le pH et l'humidité ont été mesurés quotidiennement. Des échantillons ont été prélevés aux principales étapes du compostage : initial (jour 0), thermophile (jours 5 à 15), de refroidissement (jour 20) et de maturation (jour 40).
 
2.3 Fractionnement du carbone organique
 
La matière organique (MO) a été fractionnée par ultrafiltration en trois catégories de poids moléculaire : élevé (> 10 kDa), moyen (1–10 kDa) et faible (< 1 kDa). Chaque fraction a été analysée pour déterminer sa concentration, sa composition chimique par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et son degré d’humification.
 
Analyse des données 2.4
 
Les variations des fractions de carbone organique au fil du temps ont été analysées statistiquement afin d'identifier les tendances et les corrélations avec les paramètres de compostage.
 
3. Résultats et discussion
 
3.1 Dynamique des fractions OC
 
La teneur en carbone de haut poids moléculaire a diminué significativement durant la phase thermophile, indiquant une dégradation microbienne rapide des polysaccharides et des protéines labiles. Les fractions de poids moléculaire moyen ont montré une diminution progressive, contribuant à la formation de substances humiques. La teneur en carbone de bas poids moléculaire a initialement augmenté en raison de la dégradation des molécules plus volumineuses, mais a diminué durant la phase de maturation, étant minéralisée par les micro-organismes.
 
3.2 Humification et composition chimique
 
L'analyse FTIR a révélé une aromaticité et une complexité des groupes fonctionnels accrues dans les fractions de poids moléculaire moyen et élevé, suggérant leur transformation en substances de type humique. L'indice d'humification a augmenté de façon constante, confirmant la stabilisation du compost au fil du temps.
 
3.3 Implications pour la gestion du compostage
 
Ces résultats suggèrent que le contrôle de l'équilibre entre les fractions de poids moléculaire peut optimiser l'activité microbienne et la formation d'humus. Des stratégies telles que l'ajustement de l'aération et de l'humidité pendant la phase thermophile pourraient favoriser la transformation du carbone organique de haut poids moléculaire en substances humiques stables.
 
4. Conclusion
 
Le carbone organique contenu dans le compost issu des déchets alimentaires subit d'importantes transformations selon ses différentes fractions de poids moléculaire. Les fractions de haut poids moléculaire se dégradent rapidement, tandis que les fractions de poids moléculaire moyen et faible jouent un rôle crucial dans l'humification et la stabilisation du compost. Comprendre ces dynamiques permet d'améliorer l'efficacité du compostage et la qualité du produit.