Biochemical Methane Potential Assay as a Tool for Selecting Elephant Grass Genotypes for Anaerobic Co-Digestion with Cattle Manure

Le monde est à la recherche de sources d'énergie qui ne polluent pas l'air et ne réchauffent pas la planète. Bien que le soleil et le vent soient puissants, ils sont capricieux, disparaissant la nuit ou lorsque le vent tombe. Cela a attiré l'attention des scientifiques vers le sol sous nos pieds, et plus précisément vers le vaste potentiel de la matière végétale. Les plantes sont essentiellement des batteries solaires ; elles capturent la lumière du soleil et la stockent sous forme d'énergie chimique dans leurs tiges et leurs feuilles. Lorsque nous décomposons cette énergie stockée sans la brûler, nous pouvons libérer un gaz appelé méthane, qui peut alimenter les foyers et les véhicules. Ce processus, connu sous le nom de digestion anaérobie, se produit en l'absence d'oxygène, un peu comme la décomposition lente des feuilles dans une forêt profonde, mais dans un environnement contrôlé où le gaz est capturé plutôt que perdu dans l'air.

Pour que ce processus fonctionne bien, le mélange de matériaux compte énormément. Certaines plantes fournissent le combustible, tandis que d'autres fournissent les nutriments et les travailleurs microscopiques nécessaires pour décomposer le combustible. Dans de nombreux endroits, les agriculteurs ont un surplus de fumier de bétail, qui est riche en nutriments mais peut être difficile à digérer seul. Mélanger ce fumier avec des cultures énergétiques crée un partenariat où le fumier aide la plante à se décomposer, et la plante fournit l'essentiel du combustible. Le défi consiste à trouver la bonne plante. Toutes les graminées ne sont pas égales ; certaines sont coriaces et fibreuses, résistant à la décomposition, tandis que d'autres sont tendres et faciles à consommer par les microbes. L'objectif est de trouver une plante qui pousse vite, produit beaucoup de biomasse et génère le plus de gaz lors du traitement.

Dans une étude récente, des chercheurs ont cherché à résoudre ce casse-tête en testant dix variétés différentes d'herbe éléphant, une espèce de graminée vivace, haute et à croissance rapide, largement utilisée pour le fourrage et la biomasse. Ils voulaient voir quelle variété génétique spécifique de cette herbe produirait le plus de méthane lorsqu'elle est mélangée à du fumier de bétail. L'équipe a travaillé sur un champ expérimental au Brésil, où elle a fait pousser ces dix variétés dans les mêmes conditions. Elles ont récolté l'herbe, l'ont hachée en petits morceaux et l'ont préparée pour les tests. Pour s'assurer que les résultats reflètent le potentiel réel, ils ont utilisé une méthode de laboratoire qui imite les conditions à l'intérieur d'un grand digesteur de biogaz. Ils ont mélangé chaque variété d'herbe avec une quantité spécifique de fumier de bétail, qui servait de culture d'amorçage contenant les bactéries nécessaires. Ce mélange a été placé dans des récipients scellés et maintenu au chaud, permettant aux microbes de se nourrir de l'herbe et de libérer du gaz sur une période de trois semaines.

Les chercheurs ont mesuré deux choses critiques : la quantité de gaz produite par unité de poids, et la quantité totale de gaz pouvant être générée à partir d'un seul hectare de terre. Cette dernière est peut-être la mesure la plus importante pour les agriculteurs et les planificateurs énergétiques, car elle combine la qualité de l'herbe avec la quantité de celle-ci qui peut être cultivée dans un espace donné. Les résultats ont montré une différence claire entre les variétés. Bien que toutes les herbes aient produit un peu de gaz, un génotype spécifique, identifié comme T_23.1, s'est distingué de manière significative. Cette variété particulière a produit près de 500 litres de biogaz pour chaque kilogramme de matière végétale sèche, un chiffre bien plus élevé que celui des neuf autres variétés testées. Elle a également atteint une concentration de méthane de 65 %, ce qui est une haute qualité pour un carburant.

Lorsque les chercheurs ont calculé le rendement potentiel total basé sur la quantité de biomasse que chaque variété d'herbe produisait sur le terrain, l'avantage de T_23.1 est devenu encore plus prononcé. Cette variété a non seulement produit le plus de gaz par kilogramme, mais elle a aussi produit la plus grande masse par hectare, atteignant plus de 41 tonnes de matière sèche par an. Lorsque ces deux facteurs ont été combinés, le rendement énergétique estimé pour cette seule variété était de près de 18 000 mètres cubes de biogaz par hectare et par an. C'était presque le double du rendement moyen des autres génotypes. L'étude a montré que les autres variétés, bien qu'utiles, variaient considérablement dans leurs performances. Certaines produisaient moins de gaz malgré une bonne croissance, tandis que d'autres croissaient moins et produisaient moins de gaz.

Les chercheurs ont noté que la composition chimique de l'herbe, telle que sa teneur en fibres et en protéines, ne prédisait pas parfaitement la quantité de gaz qu'elle produirait. Deux herbes ayant des compositions chimiques similaires pouvaient produire des quantités d'énergie très différentes. Cela suggère que la structure interne des parois cellulaires de la plante, qui détermine la facilité avec laquelle les microbes peuvent accéder à la nourriture à l'intérieur, joue un rôle plus complexe qu'une simple analyse chimique ne peut le révéler. L'étude a confirmé que le mélange de l'herbe éléphant avec le fumier de bétail est une stratégie hautement efficace, car le fumier a fourni les nutriments et la communauté microbienne nécessaires pour décomposer efficacement les fibres végétales coriaces. Le processus est resté stable tout au long de l'expérience, les niveaux de pH restant dans une plage qui soutenait une activité microbienne saine.

Ce travail souligne que la sélection de la bonne variété génétique est tout aussi importante que la technologie utilisée pour traiter la biomasse. En identifiant T_23.1 comme un candidat supérieur, l'étude offre une voie concrète vers la production de bioénergie à grande échelle. Elle suggère qu'avec la bonne plante, les agriculteurs peuvent transformer une culture agricole courante et un produit de déchets en une source importante d'énergie renouvelable. Les conclusions soutiennent l'idée que l'herbe éléphant est une alternative compétitive à d'autres cultures énergétiques comme le maïs ou le sorgho, principalement parce qu'elle peut être récoltée plusieurs fois par an et nécessite moins de ressources pour son établissement. Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour tester ces résultats dans des opérations continues et à grande échelle, ainsi que pour affiner la faisabilité économique, les résultats de laboratoire offrent une base solide pour optimiser l'avenir de la production d'énergie durable.