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LES DOSSIERS BIOMETHANISATION: cycles des éléments et métabolisme des organismes vivants

 

1. Introduction

Dans chaque cellule vivante, une myriade d'enzymes catalysent (rendent possible) un grand nombre de réactions (bio)chimiques permettant non seulement la survie de la cellule mais également sa multiplication. Cet ensemble de réactions biochimiques représente ce que l'on appelle le métabolisme.

Pour une cellule vivante, le métabolisme a quatre fonctions essentielles:

  • obtenir de l'énergie chimique en dégradant des substrats riches en énergie qu'elles ont prélevé dans leur environnement. Certaines cellulles (photosynthétiques) parviennent à capter l'énergie solaire pour la transformer en énergie utilisable.
  • convertir les molécules de nutriments en briques de base pour la construction de ses propres biomolécules.
  • assembler ces briques de base en protéines, acides nucléiques, lipides, polysaccharides et autres composants de la cellule dans le but d'entretenir ses structures et de se reproduire.
  • former et dégrader des biomolécules nécessaire au bon fonctionnement de la cellule.

Si il existe plusieurs milliers d'enzymes dans le monde vivant qui catalysent des centaines de voies métaboliques, on peut réduire à quelques unes les voies métaboliques centrales que tout organisme vivant possède. C'est la compréhension de ces voies métaboliques centrales qui nous permettent de bien comprendre l'alimentation d'un digesteur afin de maintenir ses équilibres biologiques en bonne forme.

La compréhension de la nutrition d'un digesteur ne peut se concevoir sans la compréhension des voies métaboliques qui régissent le fonctionnement des cellules bactériennes. Trop souvent on entend des soi-disants spécialistes du suivi de digesteurs tergiverser dans le vide simplement parcequ'ils ne tiennent pas compte de la biochimie de la nutrition et confondent les différents nutriments nécessaires.

2. Les organismes vivants participent au cycle du carbone, de l'oxygène et énergétique

Les organismes vivant dans notre biosphère peuvent être divisés en deux grand groupes:

  • les autotrophes: sont capables de prélever le carbone minéral présent dans l'athmosphère sous forme de CO2 et de construire toutes les biomolécules carbonées dont ils sont formés. Cesont, par exemple, les plantes verte, les bactéries photosyntétiques, les cyanobactéries etc... Presque tous les autotrophes tirent leur énergie de l'énergie solaire. Cette énergie est nécessaire pour construire des biomolécules.
  • les hétérotrophes: sont incapables de prélever le carbone du CO2 et l'incroporer à leurs biomolécules. Il sont obligés de se nourrir de biomolécules produites par les autotrophes afin d'en tirer non seulement les copules hydrocarbonés, mais également l'énergie nécessaire pour réaliser ces transformations.

De façon simple, on peut décrire les cycle de l'oxygène, du dioxyde de carbone (CO2) et de l'énergie de la manière suivante:

Les autotrophes incorporent l'énergie solaire dans des biomolécules (glucose, cellulose, amidons, acides gras etc...). Cette énergie peut être libérée (et donc utilisée) par les hétérotrophes en redécomposant les grosses biomolécules en produits plus simples (CO2, H2O) par oxydation. Dans le cas de la biométhanisation, les grosses biomolécules ne sont pas toutes dégradées jusqu'au CO2 mais bien jusqu'au CH4.

 

 

Les autotrophes et hétérotrophes peuvent être divisés en deux grandes sous-classes:

  • les aérobies: ils utilisent l'oxygène pour oxyder les biomolécules. L'oxydation des biomolécules (leur dégradation) est nécessaire pour en tirer de l'énergie biochimiquement utilisable par la cellule.
  • les anaérobies: qui n'utilisent pas l'oxygène pour dégrader les biomolécules. Les mécanismes de production d'énergie sont différents. C'est cette sous classes d'organismes que l'on retrouve dans les digesteurs. Certains sont des anaérobies facultatifs (peuvent vivre avec et/ou sans oxygène) comme les levures. D'autres sont anaérobies stricts comme les Archae (bactéries méthanogènes) pour lesquelles l'oxygène est extrêmement toxique.

3. Les organismes vivants recyclent également l'azote

En plus d'une source de carbone, d'oxygène et d'énergie, tous les organismes vivants ont un besoin en azote. L'azote est nécessaire pour la construction des briques de base des protéines (les acides aminés) et des acides nucléïques (les bases puriques et pyrimidiques).

Ici également, les organismes diffèrent les un des autres quant-aux sources utilisables d'azote:

- la majorité des animaux ont impérativement besoin de trouver l'azote sous forme d'acides aminé.

- les plantes vertes parviennent en général à produire elles-mêmes les acides aminés à partir d'azote ammoniacal ou de nitrates solubles.

- certaines plantes, comme les légumineuses parviennent à fixer l'azote diatomique de l'atmosphère (composée de 80% d'azote diatomique) grâce à la symbiose avec des bactéries fixées sur leurs racines.

- Il existe des bactéries nitrifiantes (qui oxydent l'ammoniac en nitrates) et dénitritfiantes (qui réduisent les nitrates en ammoniac).

- pour la construction de leurs protéines, de nombreuses bactéries ont besoin de trouver des acides amminés dans leur ration.

Le cycle de l'azote peut se shématiser comme suit:

 

 

 

4. EN RESUME DES POINTS 2 ET 3

Tous les organismes vivants ont besoin de carbone, d'oxygène et d'azote pour construire leurs structures cellulaires. Ces éléments sont entièrement recyclés dans la biosphère terrestre.

 

Tous les organismes vivants ont besoin d'une source d'énergie pour réaliser l'anabolisme cellulaire. Les plantes vertes stockent l'énergie solaire dans des biomolécules riches en énergie (glucides, lipides, protides). Les hétérotrophes se nourrissent des ces biomolécules et tirent leur énergie en les cassant en molécules plus simples (CO2, CH4, H2O, NH3...) et moins énergétiques. Une partie de la différence d'energie est transformée en énergie chimique (ATP). Cette partie du métabolisme s'appelle le catabolisme

 

 

5. Les voies métaboliques sont réalisées un ensemble de sytèmes enzymatiques séquentiels

Chacune des +-2000 enzymes actives dans une bactérie catalyse une transformation d'un métabolite en un autre. Ces transformations sont souvent l'arrachage d'un petit morceau d'un grande biomolécule (par exemple arracher le groupement ammoniac d'un acide aminé) ou le contraire, souder une petite molécule à une plus grosse. Le produit final de la réaction enzymatique sera le substrat de l'enzyme suivante de la voie métabolique et ainsi de suite.

Une voie métabolique transformera, par exemple la cellulose en multiples molécules de glucose par la flore hydrolysante d'un digesteur.

Les voies métaboliques sont le plus souvent des systèmes de réactions enzymatiques linéaires séquentielles (par exemple la glycolyse), Quelques voies métaboliques sont cycliques (la béta-oxydation des acides gras, le cycle de l'ornitine etc...). Ces deux types de voies métaboliques sont illustrées ci-dessous:

 

 

TO BE CONTINUED

 

 

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mise à jour: 13-Jun-2015