Comme les organismes anaérobies obligatoires sont incapables de croître lors de l’exposition à l’oxygène, l’utilisation de techniques de culture anaérobie est indispensable. Ici, nous démontrons une méthode simple et efficace pour cultiver une culture mélangée dérivée d’une usine de biogaz de la préparation des médias à la quantification des gaz et des acides gras volatils.
Contrairement aux organismes aérobies, les micro-organismes strictement anaérobies nécessitent l’absence d’oxygène et généralement un faible potentiel de redox pour initier la croissance. Comme l’oxygène est omniprésentdans l’air, le maintien des conditions O 2-libres pendant toutes les étapes de la culture est difficile, mais une condition préalable à la culture anaérobie. Le protocole présenté ici démontre la culture réussie d’une culture anaérobie mixte dérivée d’une usine de biogaz en utilisant une méthode simple et peu coûteuse. Une description précise de l’ensemble du processus de culturisation anoxique est donnée, y compris la préparation des médias, le remplissage des flacons de culture, la supplémentation avec l’indicateur redox et la réduction des agents pour fournir de faibles potentiels redox ainsi que l’échange de l’espace de tête pour garder médias exempts d’oxygène. En outre, un aperçu détaillé des flacons de sérum étanche au gaz aseptiquement inoculés (en utilisant des seringues et des aiguilles stériles) et des conditions d’incubation appropriées est fourni. Le présent protocole traite en outre de l’échantillonnage de gaz et de liquides pour des analyses ultérieures concernant la composition des gaz et les concentrations volatiles d’acides gras utilisant la chromatographie gazeuse (GC) et la chromatographie liquide à haute performance (HPLC), respectivement, et le le calcul du biogaz et du rendement du méthane compte tenu de la loi idéale sur le gaz.
Sur terre, l’oxygène moléculaire en concentrations notables est disponible dans les zones ayant un contact direct avec l’atmosphère ou en présence de phototrophes oxygétiques. Les environnements dans lesquels l’oxygène est absent sont appelés anaérobies. Cependant, la conversion d’énergie est toujours possible dans des conditions anaérobies par l’intermédiaire de deux processus métaboliques différents, la fermentation et la respiration anaérobie1.
Tandis que les organismes subissant la respiration aérobie utilisent l’oxygène comme accepteur d’électrons terminal, la respiration anaérobie exige des accepteurs alternatifs d’électrons comme le nitrate ou le sulfate2. Dans la soi-disant « tour d’électrons », les couples redox sont organisés en fonction de leur potentiel redox, avec les plus négatifs situés au sommet (donneurs d’électrons) et les agents d’oxydation les plus forts avec un potentiel redox positif au fond (accepteurs d’électrons). Le transfert d’électrons entre les donneurs et les accepteurs conduit à la conservation de l’énergie via la soi-disant chaîne respiratoire et les électrons peuvent être capturés par les accepteurs d’électrons – pour rester dans l’image – dans différents étages de la tour. Ainsi, plus la chute des électrons à travers la tour d’électrons est élevée, plus l’énergie peut être conservée par la réaction respective. Par conséquent, la respiration est également possible dans les habitats anaérobies, par exemple, avec des paires de redox, y compris NO3–/NO2–, acide fumarique / acide succinique, SO32-/H2S, S ‘/H2S, Mn(IV)/Mn(II , Fe(III)/Fe(II)2,3. Tout d’abord, l’énergie résultante est conservée comme potentiel membranaire, qui est ensuite utilisé par la phosphorylation de transport électronique pour la synthèse de l’adénosine-triphosphate (ATP) par des ATP-synthases membranaires. Contrairement à la respiration aérobie, la quantité d’énergie qui peut être conservée par la respiration anaérobie peut être considérablement réduite; cependant, la production d’énergie de la plupart des respirations anaérobies est encore plus élevée par rapport à la fermentation, une voie de conservation de l’énergie anaérobie dans les habitats dépourvus d’oxygène et d’autres accepteurs d’électrons terminaux2.
Pendant la fermentation, les substrats organiques riches en énergie sont dégradés en divers produits de fermentation qui définissent souvent le nom du processus global, par exemple, la fermentation alcoolique. Contrairement aux processus respiratoires, la production d’ATP pendant la fermentation se limite à la phosphorylation au niveau du substrat au cours de laquelle un groupe de phosphate est transféré à l’adénosine-di-phosphate (ADP) à partir d’un substrat phosphorylé riche en énergie2. Les micro-organismes de fermentation jouent un rôle central dans la dégradation anaérobie de la matière organique, car ils jouent un rôle clé dans la dégradation du substrat. Les produits de fermentation primaire, comme les acides organiques, les alcools, le CO2, et H2, peuvent ensuite être utilisés par les micro-organismes de fermentation secondaire pour produire de l’acide acétique, CO2, et H2. Les exemples pour les produits de fermentation incluent l’acide lactique, divers acides gras volatils (formic-, acétique-, propionic-, butyric-, acide valeric), n-butanol, 2,3-butandiol, acétone, et éthanol.
La culture de micro-organismes dans des conditions strictement anaérobies nécessite des méthodes et des équipements complètement différents par rapport à la culture d’organismes aérobies. Alors que les organismes tolérants à l’oxygène sont souvent cultivés sur des plats d’agar, ce que l’on appelle les cultures de surface, c’est – à quelques exceptions près – à peine possible pour les micro-organismes strictement anaérobies. Par conséquent, les cultures d’enrichissement des micro-organismes strictement anaérobies sont principalement établies dans les médias liquides appliquant des récipients de culture scellés avec le septa gaz-serré qui assurent une atmosphère sans oxygène de tête4,6, 7.
La description actuelle du protocole fournira des méthodes de culture appropriées pour les microorganismes cibles d’une population mixte dérivée d’une usine de biogaz anaérobie. L’isolement et la culture de cultures pures est encore plus difficile, mais ne fait pas partie de ce travail.
Ici, nous montrons la procédure pour cultiver une communauté microbienne anaérobie basée sur une étude concernant la formation d’acides phényl pendant la digestion anaérobie des substrats protéinés8. La communauté microbienne s’est composée des membres des quatre phases de la digestion anaérobie : hydrolyse, acidogenèse, acétogenèse, et méthanogenèse. Un milieu minéral de sel complété avec une source de carbone, redox-indicateur, vitamine et solution d’oligo-éléments, et agent de réduction a été appliqué9. Le milieu a été modifié avec les substrats respectifs de précurseur d’acide phényl protéiné8.
L’étape la plus importante et la plus critique dans la culture des micro-organismes anaérobies est d’assurer des conditions sans oxygène dans les médias de culture et l’espace de tête des flacons. Un indicateur comme la résazurine peut être utilisé pour vérifier indirectement le remplissage anaérobie correct des flacons. La resazurin est un colorant redox couramment utilisé car il est peu coûteux, non toxique, et déjà efficace à faibles doses et les temps d’incubation courts 12. Lorsqu’il est incorporé aux médias, la résine de couleur bleue subit d’abord une étape de réduction irréversible à la résorufine, qui est rose à des valeurs de pH neutres. Cette première réaction peut se produire lorsque les médias sont chauffés 13. Par la suite, la résorufine est réduite à la dihydrorésorufine incolore dans une réaction secondaire réversible (figure 7)12. Le système redox resorufin/dihydroresorufin devient complètement incolore à un potentiel standard d’oxydation-réduction d’environ Eh -110 mV et tourne rose au-dessus d’un potentiel redox de -51 mV 13.
Afin de réduire davantage le potentiel redox, par exemple, pour faciliter la croissance de micro-organismes méthanogéniques connus pour nécessiter moins de -200 mV14, une solution Na2S peut être ajoutée. Alternativement, la cystéine-HCl, le sodium-thioglycolate, ou la dithionite de sodium sont couramment employés. Cependant, quel agent de réduction est approprié d’utiliser dépend de la configuration expérimentale respective et pourrait nécessiter une attention particulière. Par exemple, le thioglycolate de sodium a besoin d’activation de la température (p. ex., par autoclaclacage).
Un consortium microbien bien équilibré, composé de divers genres de bactéries et d’archées, et d’une cascade de dégradation anaérobie efficace peut être évalué en déterminant la composition du gaz dans la culture par l’intermédiaire du gaz Chromatographie. Lors de la manipulation de composés comme les acides phényl dérivés de différents précurseurs, l’évaluation de l’espace de tête est un moyen rapide de vérifier le processus de méthanogenèse8. Une concentration d’espace de tête CH4 d’environ 50-60% dans les contrôles à la fin de la période d’incubation indique une utilisation réussie des nutriments appliqués et donc une minéralisation de la matière organique dans des conditions anaérobies. La production théorique de méthane et les concentrations de méthane expectables pendant le processus de digestion peuvent être déterminées ex ante selon l’équation Buswell-Boyle après une analyse élémentaire du substrat ou en estimant le contenu de glucides, protéines et graisses dans le substrat. Selon VDI 4630 15, les glucides peuvent conduire à une production théorique de biogaz de 750 L kg-1 VSS (50% CH4 et 50% CO2), protéines à 800 L kg-1 VSS (72% CH4 et 28 % CO2), et les graisses à 1 390 L kg -1 VSS (60% CH4 et 40% CO2).
En outre, la formation et la dégradation ultérieure possible des VFA et des acides phényl ont été surveillées. Le processus de dégradation peut être évalué en analysant les concentrations de VFA (p. ex. acétate, propionate) à différents moments. L’accumulation d’acides gras à chaîne courte comme l’acétate et/ou le propionate peut indiquer des perturbations dans la composition de la communauté méthanogénique et une surcharge globale du réacteur. Cependant, une cascade de dégradation microbienne bien équilibrée peut même faire face à des concentrations très élevées de VFA et d’acétate9. En outre, le rapport acétate / propionate pourrait fournir des informations sur l’état global du réacteur16. Cependant, il existe de nombreux paramètres adaptés à la surveillance des processus qui doivent être sélectionnés selon les hypothèses expérimentales proposées. Dans le présent exemple, les variables cibles étaient les concentrations d’acide phényl (figure6).
The authors have nothing to disclose.
Cette recherche a été financée par le Fonds scientifique autrichien (FWF) : numéros de projet P 29360 et P 29143. La publication a été soutenue par Publikationsfonds der Universitàt Innsbruck. Nous reconnaissons grandement le GIE.
culture flasks (120 mL, N20) | Ochs, Germany | 102046 | |
buty rubber septa (N20) | Ochs, Germany | 102049 | |
aluminium caps (N20) | Ochs, Germany | 102050 | |
N2 gas | Messer, Austria | purity 5.0 | |
syringes + cannulae | various | ||
crimper | Ochs, Germany | 102051 | |
de-crimper | Ochs, Germany | 102052 | |
GC2010 | Shimadzu | ||
Shin-carbon GC column | Restek | chromatographic separation of H2, O2, CH4, and CO2 | |
HPLC Prominence | Shimadzu | ||
Fast Fruit HPLC Column | Phenomenex | chromatographic separation of VFAs, phenyl acids, etc. |