Alors que la tendance mondiale en faveur des biocarburants durables s’intensifie, la biomasse lignocellulosique apparaît comme un candidat de choix pour les biocarburants et les produits biochimiques en raison de son abondance et de son caractère renouvelable. Cette biomasse, dérivée de matières végétales, est très prometteuse comme matière première pour la production de biocarburants. Cependant, le processus de prétraitement nécessaire pour décomposer la lignocellulose produit souvent des sous-produits toxiques tels que des composés phénoliques dérivés de la lignine et des aldéhydes furanyliques.
Ces sous-produits peuvent gravement inhiber la fermentation microbienne, une étape cruciale de la production de biocarburants, réduisant ainsi l’efficacité globale. Une détoxification efficace de ces sous-produits est essentielle pour optimiser le processus de conversion et faire de la biomasse lignocellulosique une alternative viable aux combustibles fossiles.
Pour relever le défi de la toxicité des sous-produits, des chercheurs de l’Université technologique de Nanjing, en Chine, ont mené une étude axée sur le potentiel de deux souches microbiennes : la souche N1 de Rhodococcus aetherivorans et sa variante génétiquement modifiée, la souche N1-S.
L’étude a été publié dans Recherche BioDesign Le 15 août 2024, une étude a été menée sur la capacité de ces souches à détoxifier les composés nocifs présents dans les dérivés de la lignocellulose et leur impact ultérieur sur la production d’acide succinique, un précieux précurseur de biocarburant. En évaluant leur capacité de détoxification, l’étude vise à remédier aux limites actuelles des méthodes de détoxification et à améliorer l’efficacité de la production de biocarburants.
L’étude a utilisé une approche multidimensionnelle impliquant des expériences en laboratoire pour tester les capacités de dégradation des souches N1 et N1-S. La souche N1 est analysée pour sa capacité à dégrader une gamme de composés toxiques dans des conditions contrôlées. Les voies métaboliques impliquées dans ces processus de dégradation sont cartographiées pour comprendre comment ces micro-organismes gèrent différents sous-produits.
De plus, la souche N1-S, une souche génétiquement modifiée pour améliorer spécifiquement la dégradation du syringaldéhyde, un composé difficile à traiter par la souche naturelle N1, est en cours d’évaluation. Les deux souches sont testées à l’aide de dérivés d’épis de maïs obtenus par prétraitement à l’acide dilué, simulant un scénario réel de traitement de la biomasse lignocellulosique.
Le professeur Wenming Zhang, auteur principal de cette étude, déclare : « Les résultats ont révélé que la souche N1 présentait de fortes capacités de dégradation, décomposant efficacement plusieurs composés clés dérivés de la lignine, à savoir le p-hydroxybenzoate, le p-coumarate, le férulate et le furfural, en 24 heures. Elle a également partiellement dégradé la vanilline, l’alcool coniférylique, le syringaldéhyde et le 5-hydroxyméthylfurfural, avec des taux de dégradation allant de 59 % à 84 %. » Malgré son efficacité globale, la souche N1 a une capacité limitée à dégrader le sinapate.
« En revanche, la souche modifiée N1-S a démontré une capacité considérablement améliorée à dégrader le syringaldéhyde et ses sous-produits, surmontant ainsi efficacement les limitations rencontrées par la souche naturelle », ajoute le professeur Zhang. Cette amélioration met en évidence le potentiel de l’ingénierie des souches pour relever des défis spécifiques de détoxification dans le traitement de la biomasse lignocellulosique.
Ces résultats sont essentiels pour atténuer l’inhibition enzymatique causée par l’accumulation de syringat, un défi courant dans le traitement de la biomasse lignocellulosique. L’efficacité de détoxification de la souche N1-S a été encore plus mise en évidence lorsqu’elle a réussi à réduire les composés phénoliques toxiques et les aldéhydes furanyliques de 50 à 80 % dans un dérivé d’épi de maïs. Ce dérivé détoxifié est ensuite utilisé comme substrat pour la production d’acide succinique par E. coli suc260, produisant 35,3 g/l d’acide succinique, ce qui est 6,5 fois supérieur au rendement obtenu à partir du dérivé non détoxifié.
Les capacités de dégradation impressionnantes de la souche N1 et les performances améliorées de la souche N1-S soulignent leur potentiel pratique dans la production de biocarburants. Le succès de la souche N1-S dans la détoxification des dérivés de la lignocellulose et l’augmentation significative de la production d’acide succinique illustre son rôle précieux dans l’avancement des technologies des biocarburants. En améliorant l’efficacité de la détoxification et en augmentant le rendement des précurseurs de biocarburants, la souche N1-S représente une avancée substantielle par rapport aux méthodes traditionnelles.
« Nos recherches mettent en évidence le potentiel de mise à l’échelle de la souche N1-S pour des applications industrielles, offrant une approche plus efficace et plus rentable du traitement de la biomasse. Les capacités de dégradation améliorées de la souche N1-S pourraient conduire à des améliorations significatives des technologies de traitement de la biomasse, les rendant plus viables pour des applications à grande échelle », partage le professeur Fengxue Xin.
Ces résultats ont le potentiel de transformer les technologies des énergies renouvelables, d’élargir leurs applications dans divers processus biotechnologiques et de contribuer au développement de solutions énergétiques durables.
En conclusion, cette étude démontre l’efficacité de la souche N1 de R. aetherivorans et de sa variante N1-S génétiquement modifiée pour relever les principaux défis du traitement de la biomasse lignocellulosique. De plus, la souche N1-S a la capacité de dégrader une large gamme de composés toxiques et d’améliorer considérablement la production d’acide succinique, ce qui la positionne comme un outil clé pour faire progresser les technologies de biocarburants durables.
Les résultats de cette recherche peuvent ouvrir la voie à de futures recherches sur l’optimisation des souches microbiennes pour l’utilisation de la lignocellulose, conduisant potentiellement à des méthodes de production de biocarburants plus efficaces et plus rentables.
Plus d’informations :
Wankui Jiang et al, Biodétoxification de l’hydrolysat de lignocellulose pour une utilisation directe dans la production d’acide succinique, Recherche BioDesign (2024). DOI: 10.34133/bdr.0044