Valorization of digestates and vermicompost as alternative culture media for Chlorella vulgaris: biomass production, biochemical composition and biodiesel quality

La faim de l'humanité pour l'énergie et la nourriture tire souvent dans des directions opposées. La culture de plantes pour le carburant nécessite de vastes étendues de terres et d'immenses quantités d'eau, des ressources qui pourraient autrement nourrir les populations ou soutenir les écosystèmes naturels. Parallèlement, les déchets générés par l'agriculture et l'industrie — comme le fumier provenant de l'élevage — s'accumulent, créant des problèmes environnementaux s'ils ne sont pas gérés avec soin. Les scientifiques s'intéressent depuis longtemps aux microalgues, de minuscules organismes unicellulaires, comme un pont potentiel entre ces défis. Ces plantes microscopiques peuvent croître rapidement, absorbant le dioxyde de carbone et convertissant la lumière du soleil en huiles, protéines et sucres précieux. Si elles pouvaient être cultivées de manière peu coûteuse et efficace, elles pourraient fournir une source durable de biocarburant et d'aliments pour animaux sans entrer en compétition avec les cultures alimentaires pour les terres. Cependant, un obstacle majeur a toujours été le coût de la « soupe nutritive » liquide, ou milieu de culture, nécessaire pour les nourrir. Les méthodes traditionnelles reposent sur des ingrédients fabriqués chimiquement et coûteux, ceant rendant la production à grande échelle économiquement difficile.

Une équipe de chercheurs au Mexique a entrepris de voir s'ils pouvaient remplacer ces mélanges synthétiques coûteux par quelque chose de bien plus accessible : les sous-produits liquides du traitement des déchets. Ils se sont concentrés sur deux types spécifiques de fluides dérivés de déchets. Le premier provenait du vermicompost, qui est essentiellement un sol enrichi par des vers de terre décomposant la matière organique. Le second provenait de digestats, les restes liquides après que des bactéries ont décomposé du fumier de vache et de porc dans un environnement sans oxygène. Les scientifiques voulaient savoir si ces fluides de déchets pouvaient nourrir un type spécifique de microalgue, Chlorella vulgaris, aussi bien que, voire mieux que, les mélanges de laboratoire standards. Ils ont fait pousser les algues dans des flacons contenant ces différents liquides et ont mesuré attentivement la croissance des algues, les nutriments qu'elles stockaient à l'intérieur de leurs cellules, et si les huiles qu'elles produisaient pouvaient être transformées en biodiesel de haute qualité.

Les résultats ont montré que les fluides à base de déchets n'étaient pas seulement des alternatives viables ; dans plusieurs cas, ils étaient plus performants que le standard synthétique coûteux. Le mélange le plus réussi était un assemblage de digestat de fumier de vache et de porc. Lorsque les algues étaient cultivées dans ce fluide combiné, elles produisaient 43 % de biomasse en plus que celles cultivées dans le milieu synthétique standard. Plus important encore pour la production de carburant, les algues dans ce fluide de mélange de fumier stockaient 159 % de lipides en plus, qui sont les graisses pouvant être converties en biodiesel. Un autre fluide, dérivé d'un digesteur universitaire à grande échelle traitant tous types de fumier d'élevage, a produit la concentration de lipides la plus élevée de toutes, dépassant le standard synthétique de 172 %. Les chercheurs ont également constaté que les algues cultivées dans ces fluides de déchets accumulaient significativement plus de protéines et de glucides, suggérant que ces organismes prospéraient grâce aux nutriments complexes présents dans les déchets.

Au-delà de la simple quantité de croissance, la qualité des algues changeait selon ce qu'elles consommaient. Les chercheurs ont analysé les acides gras à l'intérieur des cellules d'algues pour voir quel type de carburant elles pourraient produire. Ils ont découvert que les milieux à base de déchets encourageaient les algues à produire une plus grande variété d'acides gras par rapport au milieu synthétique. Par exemple, les algues cultivées dans le fluide de mélange de fumier produisaient neuf types différents de blocs de construction d'acides gras, alors que les algues dans le fluide synthétique n'en produisaient que quatre. Cette diversité est cruciale car différents acides gras déterminent la performance finale du carburant. L'étude a calculé la qualité probable du biodiesel qui pourrait être fabriqué à partir de ces huiles d'algues. Ils ont trouvé que le carburant dérivé du vermicompost et des digestats de fumier de type unique répondait à quatre des cinq normes internationales de qualité pour le biodiesel. En revanche, le carburant issu du milieu synthétique n'en répondait qu'à quatre sur cinq. Plus précisément, le biodiesel issu du digestat de fumier de vache présentait une stabilité et une qualité d'allumage exceptionnelles, ce qui en fait un candidat particulièrement robuste pour la production de carburant.

L'étude a également souligné que tous les fluides de déchets ne fonctionnaient pas de la même manière. Alors que le fluide de mélange de fumier boostait la croissance globale et la production de graisse, le fluide provenant du fumier de vache pur a en fait entraîné la plus faible quantité de croissance d'algues. Les chercheurs ont suggéré que cela était probablement dû au fait que le fluide de fumier de vache était si sombre qu'il bloquait la lumière du soleil dont les algues ont besoin pour la photosynthèse. Cette découverte souligne que l'utilisation des déchets n'est pas une solution magique en soi ; la composition spécifique des déchets importe énormément. La couleur sombre de certains fluides peut entraver la croissance, tandis que l'équilibre nutritionnel d'autres peut la surcharger. Les chercheurs ont conclu que la meilleure approche dépend du résultat souhaité. Si l'objectif est de produire le plus de carburant possible, le digestat de mélange de fumier ou le digestat à l'échelle universitaire sont des choix supérieurs. Si l'objectif est de produire un carburant très stable et de haute qualité, le digestat de fumier de vache est le plus prometteur, malgré la croissance globale plus faible.

Ces conclusions pointent vers un avenir où la gestion des déchets et la production d'énergie travaillent ensemble de manière fluide. En utilisant les restes liquides de l'agriculture et du compostage pour nourrir les microalgues, il devient possible de transformer un problème d'élimination en une ressource. L'étude démontre que ces milieux alternatifs peuvent soutenir une croissance robuste et une production d'huile de haute qualité sans le coût élevé des produits chimiques synthétiques. Cette approche s'aligne sur les principes d'une économie circulaire, où le déchet d'un processus devient le carburant d'un autre. Bien que la recherche ait été menée à petite échelle en laboratoire, les résultats suggèrent que passer à l'échelle supérieure pourrait offrir une voie durable pour la production de biocarburants et d'aliments pour animaux, réduisant la dépendance aux combustibles fossiles et aux engrais chimiques tout en assainissant les déchets agricoles.