Chaque année, les humains du monde entier produisent des milliards de tonnes de déchets solides. Environ 70 % de ces déchets finissent par être déposés dans des décharges, où ils se décomposent lentement. Pourtant, ce qui peut sembler une accumulation inerte de débris inutiles est en réalité un écosystème complexe, grouillant d’activité microbienne. De vastes communautés de micro-organismes se nourrissent des déchets et les transforment en sous-produits, principalement du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane.
Alors que la majeure partie du méthane des décharges est capturée et brûlée, les chercheurs espèrent plutôt utiliser cette ressource, qui peut être convertie en carburant, en électricité ou utilisée pour chauffer les maisons (voir ci-dessous).
Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Microbiologie appliquée et environnementale, l’auteur principal Mark Reynolds, ainsi que ses collègues de l’Université d’État de l’Arizona et de l’industrie, explorent ces communautés microbiennes florissantes dans le lixiviat, un liquide qui s’infiltre dans les déchets solides d’une décharge. Ils constatent que la composition et le comportement de microbes spécifiques trouvés dans les décharges arides, comme celles de l’Arizona, sont distincts de communautés similaires dans des climats plus subtropicaux ou tempérés. La composition microbienne diffère également selon l’âge des dépôts de décharge.
Le projet a été réalisé à la décharge de Salt River située à Scottsdale, près du campus de Tempe de l’ASU. L’installation reçoit environ 1 600 tonnes de déchets solides municipaux par jour.
Déchets solides : une panne
L’étude explore la composition microbienne au niveau de l’écosystème dans le lixiviat. Diverses conditions environnementales affectent apparemment les niches microbiennes qui sont compartimentées sur les 143 acres de la décharge.
« Je pense à une décharge comme à un grand buffet de carbone pour ces micro-organismes », explique Reynolds, chercheur au Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology. « Nos déchets sont principalement composés de papier et très riches en cellulose et en hémicellulose. Ceux-ci sont facilement dégradables dans des conditions anaérobies (sans oxygène). »
Le captage et l’utilisation des gaz produits dans les décharges peuvent aider à réduire les risques associés aux émissions des décharges et empêcher le méthane de s’échapper dans l’atmosphère. De plus, les projets énergétiques associés au captage et au traitement des gaz d’enfouissement peuvent générer des revenus et créer des emplois dans la communauté.
En comprenant mieux le comportement de ces micro-organismes producteurs de méthane, les chercheurs espèrent améliorer la capture de cette ressource vitale et éventuellement limiter la fuite de méthane et de CO2 – deux puissants gaz à effet de serre et principaux contributeurs au changement climatique – dans l’atmosphère.
« Nous plongeons dans la théorie écologique pour essayer de trouver la source de ce qui pourrait être à l’origine des schémas organisationnels des organismes producteurs de méthane », déclare Reynolds. L’analyse multidimensionnelle de l’étude indique que la température et les solides dissous sont les deux paramètres clés régissant leur abondance et leur diversification. C’est une bonne nouvelle, car ces données sont régulièrement saisies sur les sites d’enfouissement, généralement sur une base mensuelle, et peuvent fournir des diagnostics précis, des indicateurs révélateurs des grandes tendances de la production globale de méthane.
Des ordures au carburant
Les décharges municipales de déchets solides représentaient plus de 15 % des émissions de méthane en 2019, ce qui représente la troisième plus grande source d’émissions mondiales de méthane. Comme le note l’étude, les émissions de méthane des décharges s’élèvent à l’équivalent d’un milliard de tonnes de CO2, soit à peu près les émissions de gaz à effet de serre produites par près de 22 millions de voitures conduites pendant un an.
En règle générale, la majeure partie du méthane libéré par les micro-organismes dans une décharge est capturée sous forme de biogaz et ensuite brûlée, le convertissant en CO2. Bien que cette méthode limite les effets néfastes sur le climat du méthane lui-même, il s’agit d’une solution à court terme et inadéquate au problème des émissions de gaz à effet de serre provenant des décharges.
En plus de son effet néfaste sur le climat, le méthane perdu représente une occasion manquée de capter cette précieuse ressource. L’étude estime qu’environ un cinquième des décharges du pays conviendraient à ce type de captage et de traitement, si les obstacles économiques et autres pouvaient être surmontés.
Actuellement, les micro-organismes dégradant les déchets solides municipaux génèrent des gaz d’enfouissement composés d’environ 50 % de méthane et 50 % de CO2. En comprenant le fonctionnement subtil de ces micro-organismes, en particulier les Archaea méthanogènes, qui sont les véritables bêtes de somme du cycle de production de méthane, les chercheurs espèrent augmenter la production de méthane.
L’augmentation de méthane peut être récoltée et utilisée pour créer de l’électricité, des carburants neutres en carbone ou pour chauffer des maisons. Cette dernière option est particulièrement attrayante car aucun autre traitement du méthane ne serait nécessaire. Alternativement, la modification des communautés microbiennes pourrait potentiellement être utilisée pour limiter la production de méthane, là où une atténuation est souhaitée.
A la recherche d’Archaea
Les décharges offrent un cadre idéal pour l’étude détaillée des Archaea, qui sont notoirement difficiles à cultiver en laboratoire. Environ 80% de la diversité des archées reste largement inexplorée. « Nos laboratoires sont vraiment intéressés par les méthanogènes parce que le même métabolisme qu’ils adoptent dans les zones humides, ce qui en fait la plus grande source de méthane, ou plutôt le tractus gastro-intestinal humain, ils agissent dans les décharges », explique Reynolds.
Parce que les méthanogènes sont des organismes primitifs unicellulaires, ils peuvent également utiliser des matières végétales, alimentaires ou papetières. Alors que l’étude a révélé des concentrations de méthane similaires sur leur site d’enfouissement aride par rapport à d’autres décharges, différentes communautés de méthanogènes font le gros du travail. L’étude démontre que le comportement microbien dépend également de l’âge des déchets solides déposés. Les déchets plus jeunes sont plus chauds que les déchets plus anciens et se dégradent selon des régimes différents. Il a également été démontré que l’aridité affecte considérablement la décomposition des déchets solides au fil du temps.
« Il y a une restructuration ou une réorganisation de ces microbes du climat aride dans les décharges », explique Reynolds. Les recherches futures viseront à clarifier les distinctions de ces communautés par rapport à leurs homologues tempérées et humides.
D’autres recherches exploreront plus en détail les communautés microbiennes des sites d’enfouissement ainsi que l’utilisation de biostimulants ou d’autres techniques qui pourraient être utilisées pour modifier la production de méthane.
Mark C. Reynolds et al, Délimiter les moteurs et la fonctionnalité des niches méthanogènes dans une décharge aride, Microbiologie appliquée et environnementale (2022). DOI : 10.1128/aem.02438-21