Traitement aérobie du lisier de porc: aspects microbiens

Traitement aerobie du lisier de porc: aspects microbiens

Y. DOYLE Centre de recherche en nutrition, De'partement de biologie, Universite' Laval, Sainte-Foy (Qut.), Canada GIK 7P4

R . GUAY Centre de recherche en nutrition, De'partement de microbiologie, Faculte' de mtdecine, Universite' Laval,

Sainte-Foy (Que'.), Canada GIK 7P4

J . DE LA N o i j ~ Centre de recherche, De'partement de biologie, Universitt Laval, Sainte-Foy (Qut.) , Canada GlK 7P4

J . ASSELIN De'partement de microbiologie, Faculte' de me'dicine Universite' Laval, Saint-Foy (Que'.), Canada GIK 7P4

Accept6 le 23 mai 1986

DOYLE, Y., R. GUAY, J. DE LA NOUE et J. ASSELIN. 1986. Traitement akrobie du lisier de porc: aspects microbiens. Can. J. Microbiol. 32: 679-686.

Lors du traitement en lots de 1000 L de lisier brut dans un biorkacteur akrobie, la prksence de supports de fixation permet d'accroitre la concentration de la population microbienne par un facteur de lo3 environ. En I'absence de populations fix6es sur supports, la rkduction de la demande chimique en oxygkne (DCO) du lisier est de 65% aprks 168 h d'akration alors qu'elle atteint 90% enprksence de supports. Dans lapremikre phase du traitement, au cours de laquelle le potentiel d'oxydorkduction part d'une valeur caractkristique de conditions anakrobies (-305 mV) et atteint, au bout de 120 h, une valeur stabiliske typique d'un milieu akrobie (+ 125 mV), une population arnylolytique dominke par les bactkries h Gram-nkgatif (principalement Acinetobacter calcoaceticus) se dkveloppe; par la suite, une population protkolytique tend i la remplacer. Au cours du traitement, des souches bactkriennes, caract6ristiques de la flore intestinale du porc et potentiellement pathogknes, sont sensiblement rkduites.

DOYLE, Y . , R. GUAY, J. DE LA NOUE, and J. ASSELIN. 1986. Traitement akrobie du lisier de porc: aspects microbiens. Can. J . Microbiol. 32: 679-686.

During the treatment of raw pig sluny by batch aerobic fermentation, the presence of surfaces for bacterial attachment resulted in a 1000-fold increase in the microbial population. In the absence of such surfaces, a 65% reduction of the chemical oxygen demand (COD) of the manure was obtained after 168 h of aeration, whereas a value of 90% was observed in their presence. In the early stages of the treatment, during which the redox potential passed from a value characteristic of anaerobic conditions (-305 mV) to a stable value typical of aerobic conditions (+ 125 mV) some 120 h later, an amylolytic population dominated by Gram-negative bacteria (chiefly Acinetobacter calcoaceticus) developed; this was followed by a phase in which a proteolytic population tended to become dominant. Populations of some potentially pathogenic bacterial strains characteristic of the porcine intestinal flora declined noticeably during the treatment.

Introduction Les possibilitts d'application des divers traitements biolog-

iques aux rCsidus organiques sont bien connues (Loehr 1974, 1977). Comme le soulignent Paca (1980) et Bisaillon et a l . (1984), il est cependant important d'accroitre la comprChension des aspects microbiens fondamentaux de ces procCdCs, les aspects physico-chimiques pouvant Ctre bien contr61Cs pour la plupart.

Le traitement du lisier de porc par aCration dans un biorCac- teur enwdne une mineralisation de la rnatikre organique qu i est convertie par ude biomasse microbienne s'y dCveloppant selon un rapport de proport ionnalid directe {Robinson er a/. 197 1). La croissance de Ia population m~crobienne est donc un objectif primordial et il irnporte de conndtre les facteurs pernettant d'en stimuler la croissance.

Le lisier non trait6 est un substrat riche en substances glucidiques montrant un rapport carbone total/azote total (C/N) d'environ 8,7, et Paca (1980) a dCmontrC que I'activite de la flore microbienne apte B minCraliser ce substrat est maximale si ce rapport C/N est compris entre 5,O et 10,O; cependant, le rapport C/N du lisier chute abruptement dks le dCbut de I'aCration. Afin de favoriser une croissance microbienne sou- tenue, il est donc important de maintenir plus longtemps un

niveau relativement ClevC du rapport C/N en planifiant l'ajout de substrats glucidiques (Boersma et a l . 198 1; Ginnivan et a l . 1981); l'efficacitk de l'ajout d'amidon, obtenu de pommes de terre de rebut, mCritait donc d'&tre documentte.

Lors de fermentations mtthaniques, Murray et Van den Berg (198 1) ont obtenu une augmentation de performance grice 2 une population bactkrienne accrue par emploi d'un support inerte de fixation bacttrienne. Afin d'accroitre le rendement de la bioconversion du lisier de porc lors du traitement aCrobie en lots d'un volume de lOOOL, nous avons donc cherchC 2 vCrifier l'effet bCnCfique de la presence d'un support pour la croissance de la flore microbienne, support qui peut jouer aussi un r61e dans le fractionnement du lisier.

Au cours de la minkralisation, on peut observer que la flore tvolue parallklement B la transformation du lisier; Ciafardini et Barbieri (1982) ont observC que le traitement aCrobie du lisier de porc se subdivisait en une phase amylolytique suivie d'une phase protColytique. La prCsente Ctude a donc pour objectif de caractkriser les changements survenant dans les principaux groupes composant la population microbienne et d'identifier I'espbce bacttrienne dominante au cours du traitement dans un biorkacteur simple de notre conception. Des observations seront aussi faites sur 1'Cvolution de la population des staphylocoques

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TABLEAU 1. CaractCristiques typiques du lisier non trait6

Demande chimique en oxygkne, g/L Rapport carbone total/azote total (C/N) Population microbienne akrobie totale, UFC/mL Solides totaux en suspension, g/L Potentiel redox, mV N(W-1, g/L N(NO3-), mg/L ~ ( p o 4 ~ - ) , g/L pH

et streptocoques, un groupe de micro-organismes dont la prksence constitue une contrainte importante dans la planifica- tion des utilisations substquentes du lisier traitt, certaines de ces espbces ktant des pathogbnes pour l'humain.

Ces informations devraient permettre de mieux comprendre la dynarnique de la bioconversion du lisier afin d'en arriver ?i une minkralisation maximale de la matikre organique. Le lisier trait6 ne constitue plus alors un polluant, mais une resource utilisable, pour la culture de microalgues par exemple (Wu et Pond 1981).

Materiel et methodes Le lisier

Le lisier est recueilli directement sous les lattes du plancher de la porcherie oh il ne sCjourne habituellement pas plus de 2 jours. I1 ne subit aucun prttraitement avant son introduction dans le biorkacteur (tableau 1).

Les porcs sont nounis avec un rkgime a base de soja, d'orge et de mais et compost5 de 15,25% de protCine brute, 2,25% de matikre grasse brute, 5,25% de fibre brute, 5500 mg/kg de phosphore, 9,7 mg/kg de cuivre et 0 , l mg/kg de st1Cnium. Le lisier utilist lors de I'expkrimenta- tion provenait d'animaux auxquels on n'avait pas administrk d'antibio- tique.

La conduite du traitement Le volume de lisier prelevt sous les lattes du plancher de la porcherie

et introduit dans le biorkacteur est d'environ 950 L, qui s'ajoutent aux quelque 50 L de lisier rksiduel de l'essai prkckdent, ceux-ci constitu- ant l'inoculum. Au dCbut de l'atration, un anti-mousse industriel a base de dimtthyl polysiloxane (concentration inconnue) est ajoutt afin de reduire le moussage abondant cause par le d6but de I'aeration et par l'acide sulfurique (environ 6mL d'acide 36 N/L de lisier, au total) ajoutt pour maintenir le pH du lisim aux environs de 7,O.

Des essais prkliminaires ayant dCmontd I'influence directe d'un tei apport sur la croissance rnicrobienne, 4 g de pommes de term pulvtr- is6es(environ0,75 gd'midon)smtajouttsparlitrede lisicrapds2.4 h d'akrztion comme apport supplimentaire de substrat gtucidique facile- ment biodkgradable.

Chaque essai se dtroule sur une pkriode de 168 h au cours de laquelle seul le volume de lisier initialement introduit dans le biortacteur est trait6; il s'agit donc d'un traitement en lot.

Le bioriacteur Le biorCacteur utilisC pour nos expCrimentations est situt pres d'une

porcherie, a l'exttrieur de tout bltiment, sur une ferme des environs de QuCbec. De forme cylindrique, le biorkacteur de 4 m de haut par 1,15 m de diamktre est fabriqut en acier inoxydable et repose sur une base de Wton (fig. 1). L'extCrieur est recouvert de matkriel isolant (laine min6rale) ~ u i confkre un coefficient d'isolation thermique lattrale de

( Conditions atmos~h6riaues ! Couvercle

I Plateforme en ciment I I FIG. 1. SchCma du biortacteur.

projeter sur la mousse ?I un dCbit d'environ 60 L/min; cette aspersion contribue contr6ler partiellement le niveau de la mousse. La pompe recirculant le lisier est de marque Monarch (modkle BSE 33; moteur de 373 W).

A la base interne du biorkacteur se trouvent quatre tubes semi-rigides en composC polyvinylique qui sont percCs d'une multitude de micro- pores. Ces tubes laissent Cchapper des microbulles d'air a un dtbit d'environ 155 L/min chacun. Ces microbulles permettent d'obtenir un coefficient de transfert de I'oxygCne, K L . a , a 20°C, ou KL = CO-

efficient de transfert de masse et a = surface specifique de transfert, d'environ 32 h-' dans I'eau (rksultats non publits); le taux de transfert d'oxygkne de la phase gazeuse la phase liquide est excellent avec les microbulles (Paca 1979). Les tubes d'akration sont aliment& par un compresseur a lubrification skche de marque Gast (modkle 3040P 118B) entrain6 par un moteur a boitier clos de marque Beldar (modkle L3701) dtveloppant une puissance de 11 19 W et fonctionnant a 1140r/min. Le s y s t h e d'akration produit donc un dCbit d'environ 620L/min, sous une pression de 14 kPa, ce qui correspond aux recommandations de Pilon et Jaouich (1979) appliqutes nos conditions.

Les supports utilisks pour la croissance microbienne sont constituts de courtis-sections d'eiviron 15 cm de tuyau de drain en plastique de 10 cm de diamktre empilkes sur une hauteur de 1.5 m a la base du biorkacteur. La paroi de ces tuyaux de plastique est perforbe et ondulCe; les ondulations sont espacees de 1 cm. La surface totale de colonisation est d'environ 375 m2. La colonisation initiale de ces supports est rkaliste par un contact de 24 h avec un mklange de 50 L de lisier aCr6 et de 950 L de lisier brut.

3,52m2."6-'.w-'. Le sommet est coiff6 d'un disque amovible en Les analyses acier. Le volume intCrieur du biorkacteur est de 4 m3, tandis que son Deux Cchantillons de lisier sont prtlevks quotidiennement, con- volume utile est de 1 m3; l'espace rksiduel permet l'expansion de la servCs ?+ 4°C pour fins d'analyse et ensemences sur gClose dans l'heure mousse. qui suit le prklkvement. Les lectures de potentiel d'oxydo-rkduction

Le biorkacteur posskde un circuit de recirculation externe au corps sont faites a l'aide d'un pH/voltm&tre muni d'une electrode combinke. principal, qui est lui aussi therrniquement isolC; ce circuit de recircula- Les Cchantillons pour l'analyse de la demande chimique en oxygene tion puise le lisier a la base du biorkacteur et le ramkne au sommet pour (DCO) sont conservCs, aprks simple homogknCisation, a - 20°C jus-

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qu'au moment de I'analyse rCalisCe par la mkthode au dichromate de potassium (Greenberg et al. 1980). Les Cchantillons pour I'analyse du rapport carbone total/azote total (C/N) sont prClevCs aprks homogtnk- isation simple et dCshydratCs pendant 24 h a 98°C. L'analyse est faite sur un "F and M scientific carbon hydrogen nitrogen analyser" de Hewlett-Packard. Compte tenu des pertes possibles, soit d'amrnon- iaque, soit de gaz carbonique (Molloy et Tunney 1983), les valeurs de C/N ne peuvent &tre que relatives. Pour la mesure des solides totaux en suspension, 1'Cchantillon est homogCnCisC, puis sCchC a 98°C endant 24 h (poids constant). Les ions organiques (NH;, NO;, F 6 f ) sont mesurCs dbs le prtlbvement des Cchantillons 2 l'aide de rkactions colorimCtriques directes et en utilisant les gamrnes de concentrations approprikes (Anonyme 19856); les techniques sont adaptkes de Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water (Anonyme 1985a) et reposent sur la mCthode a I'acide ascorbique pour I'orthophosphate, la rCaction de Nessler pour I'ammoniaque et la mCthode de rkduction au cadmium pour le nitrate.

Les analyses microbiologiques sont rCalisCes sur des Cchantillons de 1 mL de lisier. Dans le cas des supports, une surface de 8 cm2 repartie Cgalement sur les portions surClev&es et profondes des ondulations est grattCe et procure un volume d'environ 1 cm3 de materiel humide. Les numkrations microbiennes sont rCalisCes par la mCthode du nombre le plus probable en comptant le nombre d'unitks formatrices de colonies (UFC) a la surface de milieux solides sClectifs et spkcifiques, aprks dilutions successives. Le mklange d'agar nutritif utilist pour prCparer la gClose servant au compte microbien total provient de BBL. Les autres gCloses employCes (Oxoid) sont, pow le compte des bactkries a Gram-ntgatif, une gClose MacConkey, pour le compte des strepto- coques et staphylocoques, une gClose Columbia additionnCe d'antibio- tiques (15 mg/L d'acide nalidixique et 10 mg/L de sulphate de colis- tine) et de sang (5%), et pour le compte des levwes, une gClose B base de glucose de pomrnes de terre dont le pH est ajustC a 3,5 avec I'acide tartrique.

Les gCloses ensemencCes sont incubCes pendant deux pkriodes de 24 h successives: une premibre a 30°C, suivie d'une seconde a 37°C. Ces deux tempkratures d'incubation ont CtC choisies pour favoriser la croissance de l'ensemble des microorganismes prCsents dans le lisier en tenant compte des tempkratures mesurkes dans le biorkacteur (20- 34°C) et de la temptratwe optimale de croissance des microorganismes potentiellement prtsents (tableau 2), la tempkrature corporelle du porc Ctant de 39°C.

L'identification des bactCries ?I Gram-nCgatif est faite par prClke- ment alCatoire des colonies sur des gkloses MacConkey et, aprks ensemencement et incubation 18 h B 37°C sur des gkloses nutritives distinctes, les souches sClectionnCes servent 21 I'ensemencement de galeries d'identification API-20E. L'ensemencement et la lecture des rkactions dans les galeries ont CtC effectuCs selon le protocole fourni par le manufacturier (Produits de laboratoire API, Saint-Lament).

Resultats et discussion Les caractkristiques typiques du lisier non trait6 apparaissent

au tableau 1. L'akration du lisier de porc dans le biorkacteur entraine une modification des conditions physico-chimiques, telles que le pH, la demande chimique en oxygbne (DCO) et le potentiel d'oxydo-rkduction. Le pH est ajust6 rkgulibrement a environ 7,O tout au long de l'experimentation. La DCO (fig. 2) est rkduite de 65% au bout de 168 h; en presence du support de fixation bactkrienne la rkduction atteint90%, valeur significa- tivement (P < 0,05) plus Clevke. Le potentiel d'oxydo- rkduction moyen pour trois essais est de -305,3 mV dans le lisier non traitk; il s'ktablit a - 136,7 mV apres 24 h d'akration. Le potentiel d'oxydo-reduction est un indice sensible de la transformation du lisier (Converse et al. 197 1 '); cette modifica-

'J. C. Converse, D. L. Day, J. T. Pfeffer et B. A. Jones, Jr. 1971. Livestock waste management and pollution abatement. Proc. Int. Symp. Livest. Wastes. American Society of Agricultural Engineers, St. Joseph, MI. pp. 267-271.

tion dkcoule de l'action de la population microbienne sur les substrats, la composition de celle-ci variant elle aussi selon leurs exigences et leurs capacitks physiologiques (tableaux 2 et 3).

Cette donnte gCnCralement peu exploitke qu'est le potentiel redox (Jacob 1970; Converse et al. 1971, voir note infrapagin- ale 1) nous perrnet donc de constater la presence de conditions initiales fortement anakrobies qui Cvoluent rapidement en conditions intermkdiaires akrobies-anakrobies (Grune et al. 1957, citk par Converse et al. 197 1, voir note infrapaginale 1). Pendant la mCme pkriode, la valeur moyenne de la population microbie~e akrobie totale, qui est de 1,64 X 10' UFC/mL dans le lisier non traitk, augmente jusqu'a 3,51 X lo9 UFC/rnL. Aprbs 72 et 96 h d'akration, le potentiel redox moyen s'ttablit 2 -40,O et +36,7 mV respectivement; ces conditions favorisent davantage les organismes aCrobies dont la population totale moyenne passe 1,30 X 10" et 2,58 X lo9 UFC/mL, respectivement. Par la suite, la valeur moyenne de la population totale se stabilise a un ordre de grandeur de 10' UFC/mL, parallblement ?i la stabilisation du potentiel redox aux environs de + 125 mV (tableau 3). Selon Grune et al. (1957, citk par Converse et al. 1971, voir note infrapaginale 1) un potentiel redox de cet ordre correspond B une forte dominance de la flore aCrobie.

La population de bactkries B Gram-nkgatif varie avec une certaine rkgularitk (tableau 3). En effet, elle reprisente 25,0% des microorganismes akrobies stricts et anakrobies facultatifs prksents dans le lisier non traitk; elle croit en proportion et en nombre pendant les premibres 72 h d'akration, oh elle reprk- sente alors 90,6% de la population totale. Elle dirninue ensuite jusqu'a la fin de l'akration avec une proportion finale de 24,4%. A partir de la 96" h, les bactkries 21 Gram-positif reprksentent une part de plus en plus importante de la population totale. Cette proportion croissante de bactkries Gram-positif, associke une diminution rkgulibre de la population totale, serait probable- ment amplifi6e par une aeration prolongke.

Le dknombrement de la population de streptocoques et staphylocoques nous permet de constater que la proportion de ces bactkries est importante dans le lisier non traitk oil elle reprksente 25,6% de la population totale (tableau 4). Ces bactkries a Gram-positif dkgradent les protkines de prkfkrence 2 l'amidon, mais sont aussi anairobies facultatives (tableau 2); cela peut permettre d'expliquer la dynamique que nous avons observke (rksultats non publiks), les glucides ktant abondants dans le lisier non trait6 (Ginnivan et al. 1981), mais l'oxygbne peu abondant. Lorsque la proportion des bactkries a Gram- nkgatif croit avec le dCbut du traitement (voir tableau 4), on note une diminution de 97,3% en 48 h de la proportion des staphylo- coques et streptocoques. Cette dynamique s'inverse par la suite de sorte que la proportion finale (aprbs 168 h) des streptocoques et staphylocoques est de 9,9% de la population totale, soit 39,9% de leur proportion initiale. Malgrk cette diminution importante, on doit tout de mCme garder 2 l'esprit que ce groupe d'organismes, souvent pathogbnes, reste important en nombre.

I1 est raisonnable de penser que le debut de l'akration entraine l'apparition de conditions favorables B la croissance de la flore akrobie et perrnet une forte augmentation de la population des bact6ries 2 Gram-nkgatif jusqu'au moment oh certaines carac- tkristiques du substrat sont modifites et ne permettent plus le maintien de ces bactkries; citons, a titre d'exemple, l'kpuise- ment des glucides simples, puisque le rapport C/N diminue d'environ 66% en 48 h malgrC l'ajout d'amidon aprbs 24 h de traitement (tableau 3). L'ajout d'amidon s'est rkvklk efficace. En son absence, la population bactkrienne croit, puis chute et se stabilise. Aprbs ajout de l'amidon une nouvelle croissance

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TABLEAU 2. Caractkristiques principales des bactkries identifikes (Buchanan et al. 1966; Buchanan et Gibbons 1974; Lennette et al. 1980; Gibbons et al. 1981)

Acinetobacter calcoaceticus Non mobile; chemo-organotrophe saprophyte libre polyvalent

avec prkfkrence pour les substrats h 3 atomes de carbone; urkolytique; akrobie stricte; To, 30-32OC; pH,, 7,O; non rkducteur de nitrates; ubiquiste; pathogkne incertain; rksistant h la p6nicilline

Mobiles; chemo-organotrophes anakrobies facultatifs; Alcaligenes spp. saprophytes intestinaux i o n protkolytiques et non celluloly- tiques; To, 20-37°C; pH, 7,O; souvent pathogknes; type spkcifique, A. faecalis

CDC groupe IV-C2 Protkolytiques; lents rkducteurs de nitrate; type sernblable 21

Bordetella bronchiseptica; identification non definitive

Enterobacter agglomerans Mobile; chemo-organotrophe intestinal; anakrobie facultatif

Escherichia coli Mobile; cherno-organotrophe; retrouvk dans le gros intestin; hkmolytique; pathogkne potentiel

Flavobacter odoratum Non mobile; chemo-organotrophe protkolytique et urkoly-

tique; retrouvk dans le sol et l'eau; pathoghe mineur

Klebsiella pneumoniae To, 35-37°C; pH,, 7,2; retrouvk dans le sol, l'eau, les ckrCales

et l'intestin; pathogkne potentiel

Non mobiles; chemo-organotrophes parasites ou saprophytes; ne dkgradent que les courtes chaines d'atomes de carbone; akrobies strictes; To, 32-35°C; pH,, 7,O-7,5; souvent pathogknes mineurs; type spkcifique, M. lacunata

Moraxella spp.

Proteus vulgaris Mobile; chemo-organotrophe saprophyte protkolytique;

anakrobie facultatif; To, 20-22°C; rkduit le nitrate; retrouvk dans les eaux uskes, le sol et les fkces; pathoghe mineur

Providencia spp. et P . alcalifaciens Retrouvks dans l'urine et les fkces; pathogknes mineurs

Pseudomonas maltophilia Mobile; chemo-organotrophe polyvalent; akrobie; bon

dknitrificateur non aminolytique; lipolytique; To, 35°C; retrouvk dans les fkces et I'eau

Pseudomonas stutzeri Mobile; chemo-organotrophe trks polyvalent; anakrobie

facultatif; bon dknitrificateur; amylolytique; To, 35°C; retrouvk dans le sol, I'eau et les Rces

Pseudomonas Jluorescens spp. Mobiles; chemo-organotrophes polyvalents; anakrobies

facultatifs; To, 25-30°C; retrouvks dans le sol et l'eau

Pseudomonas spp. Mobiles; chemo-organotrophes non fermentants; pH,, 7,O-8,5 jamais infkrieur h 6,O; ubiquistes; type spkcifique, P. aeruginosa

Salmonella spp. Mobiles; souvent pathogknes; retrouvks dans les fkces; type spkcifique, S. choleraesuis

Staphylocoques et streptocoques Gknkralement peu mobiles; chemo-organotrophes non

amylolytiques; anakrobies facultatifs; gknkralement protko- lytiques; To, 35-40°C; souvent pathogknes; retrouvks sur rnuqueuses et lksions pour les groupes susceptibles d'Ctre presents (et feces pour streptocoques)

optimale; p&, valeur du pH optimal

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TABLEAU 3. Evolution du rapport C/N, du potentiel redox, des populations micro- bienne et de batteries B Gram-nCgatif du lisier en cours d'aeration

Population Potentiel (UFC X lo9/mL)

Temps Rapport redox Proportion (h) C/N (mV) Microbienne Gram-negatif (%)

TABLEAU 4. Evolution des populations de staphylocoques + streptocoques et de levures du lisier en cours d'aCration

- - - -

Population Staphylocoques + Temps microbienne streptoco ues Proportion Levures Proportion 4 (h) (UFC x 108/mL) (UFC x 10 /mL) (%) (UFC x 104/m~) (%)

Temps ( h 1 FIG. 2. CinCtique de la diminution de la demande chimique en

oxygkne @CO) au cours de I'aCration, aver (a) et sans (A) support de fixation microbienne.

bacthienne se manifeste; la population passe aIors, de fason typique de 1,5 x lo8 a 0,93 X lo9 UFC/mZ. La dynamique de transformation de la population microbienne apparait donc Ctre cohlCe avec une transformation du substrat de croissance. Ciafardini et Barbieri (1982) ont suivi la dynamique de la population microbie~e durant la degradation aerobic du lisier de porc dans des Ctangs d'oxydation et ils ont note qu'une population mylolytiqne se developpe prEf6rentiellernent au debut du traitement Calors que le rapport C/N est d'environ 9,O). Dans une deuxitme phase, une population protkolytique se

dkveloppe, mais avec une importance moindre que celle de la premikre population; la population amylolytique rkgresse pres- que totalement pendant cette phase (alors que le rapport C/N s'approche de 2,O).

La prksence de levures a kt6 vCrifike rkgulibrement au cours des essais (tableau 4) et leur importance quantitative apparait comme marginale compark B la population microbienne totale. On peut cependant constater que leur nombre suit partiellement l'kvolution de la population totale (corrklation = 0,543) et celle des souches B Gram-nkgatif (corrklation = 0,545), sauf aussit6t aprks le moment oh ces populations culminent; le nombre d'UFC de levures par millilitre diminue alors sensiblement soit de 13,28 X lo4 B 2,45 X lo4 UFC/rnL pour remonter ensuite a 10,99 X lo4 UFC/rnL. Le fait que cette tendance se vkrifie dans tous les essais permet de proposer que la transformation du milieu est conskcutive B la forte croissance bactkrienne. Des champignons filarnenteux ont CtC observts en faible nombre et leur prksence ktait irreguliere. La circulation continuelle de la phase liquide et la prkdominance bactkrienne B un pH d'environ 7,0 n'ont donc pas permis un dCveloppement important des champignons filamenteux.

Les rksultats rapportks jusqu'ici ont trait au traitement en phase liquide du lisier de porc dans le biorkacteur. Dans un des essais rkalids, des sections de tuyau de drain de lOcm de diamktre 2 paroi ondulke et perforCe ont CtC immergkes dans la colonne de liquide pour servir de support B la fixation micro- bienne et comme agent de skparation des particules. Le dknombrement des microorganismes fixks sur ce support permet d'affirmer qu'il s'agit d'un dispositif favorisant une forte croissance microbienne. Les populations microbiennes totales

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TABLEAU 5. Evolution des populations microbiennes sur les supports de fixation au cours de l'akration

Bactkries a Staphylocoques et Temps Microbes totaux Microbes Gram-ntgatif streptocoques Levures

(h) (UFC) (uFc/c~') (uFc/c~') (uFc/c~') (uFc/c~')

NOTE: n.d., non dktermink.

TABLEAU 6. Evolution des populations microbiennes dans la phase liquide au cours de l'atration

Bactkries a Staphylocoques et Temps Microbes totaux Microbes Gram-negatif streptocoques Levures

(h) (UFC) (UFC/mL) (UFC/mL) (UFC/mL) (uFc/mL)

o 6,ox 1013 6,ox 107 3,ox 107 1,5x107 4,3 x 104 24 3 , 9 ~ 1015 3 , 9 ~ lo9 1,5x109 n.d. n.d. 48 1,6 x 10" 1,6x lo9 1,5x lo9 n.d. n.d. 72 6,OX I O l 4 6,0x 10' 4,8x 10' n.d. n.d. 96 1,7 x 1014 1,7x108 1,6x 10' n.d. n.d.

120 5 , 0 ~ loi4 5,0x lo8 4,4x 10' n.d. n.d. 1 44 OX l0 l4 OX lo8 7,OX lo7 n.d. n.d. 168 7,Ox 1013 7,0x lo7 4,Ox lo7 <1,oxlo7 2,5 x lo3

TABLEAU 7. DCnombrement des populations microbienne et bacttr- ienne a Gram-ntgatif dans la mousse aprks condensation et dans la phase liquide (prklkvements rtpartis au hasard sur plusieurs expkri-

ences)

Populations dans la mousse Populations dans la phase condenste (UFC X 109/mL) liquide (UFC X 109/mL)

BactCrienne a Bactkrienne a Microbienne Gram-nkgatif Microbienne Gram-nCgatif

prksentes sur l'ensemble des supports sont entre 100 et 10 000 fois plus considkrables que celles prksentes dans la totalit6 de la phase liquide aussi bien pour les levures que pour la population microbienne (tableaux 5 et 6); l'activitk mktabolique dans ce systbme hktkrogbne (phases liquide et solide) est donc impor- tante, la population fixke sur le support s'ajoutant 2 celle dkja prksente dans la phase liquide de tous les essais, ce qui explique la diminution accrue de la DCO observke en prksence du support.

Le biorkacteur ktant conqu pour permettre l'expansion d'un certain volume de mousse, un sous-systeme a haute densitk microbienne est crkk. On retrouve dans l'important volume de mousse prksent dans la partie supkrieure du bioreacteur une

interface gaz-liquide considerable qui pemet aux microorgan- ismes akrobies d'y Ctre probablement actifs en raison de l'abondance d'oxygbne. Environ 30mL de mousse foment 1 mL de mousse condensee. Nous avons dCnombrk jusqu'a 50 fois plus de microorganismes par millilitre de mousse con- dens& que par millilitre de phase liquide (tableau 7), phtnom- tne qui est i la base de la dcuptration des cellules bacdriennes par flotation (Boyles et Lincoln 1958) et qui a tt6 document6 pour les levures par J. Goulet (1974 Ph.D. thbse, McGill university, ~ o n s a l ) . Nous n'avons cependant pas de rksultat quant 11efficacit6 des transformations biochimiques de ce systkme.

L'identification phknotypique par le systeme de galeries API 20E des 158 souches de batteries a Gram-nkgatif prelevkes au hasard sur des gkloses MacConkey nous donne une indication quantitative de l'importance des especes par les frkquences de prelbvement et d'identification; cette mkthode a dejh CtC employke auparavant avec satisfaction (Bisaillon et al. 1984; Cloete et al . 1984).

Dans le lisier non traitk, plusieurs groupes bactkriens B Gram-nkgatif montrent une frkquence d'apparition significative sans prkdominance marquee de l'un d'eux. Les plus importants sont Acinetobacter calcoaceticus, Escherichia coli et Pseudo- monas spp. (fig. 3). Escherichia coli est un chemo-organo- trophe caractkristique de la flore intestinale qui prkdomine dans le lisier non traitk. On peut aussi classer Alcaligenes spp., Klebsiella pneumoniae, Providencia spp., Pseudomonas spp. et ~almonella spp. dans cette flore caractkristique du lisier avant traitement. Ces organismes ont en commun d'Ctre chemo- organotrophes avec une prkfkrence pour les substrats glucid- iques. 11s presentent pour la plupart un certain pouvoir patho- gbne potentiel (tableau 2). Etant donnk qu'un inoculum volumique de 1/20 constituk de l'effluent du traitement pr6cC-

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Groupe boct6r1en:

Providencia spp. Pr alcal~foc~ens

: .

, . , , , , . , , .

Alcaligenes spp.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Fre'quence d'apparltion 0

FIG. 3. Frkquence d'apparition (prCl2vements au hasard sur gClose MacConkey) de diffkrents groupes bactkriens i Gram-nCgatif prCsents dans le lisier, avant (W) et aprks (0) traitement.

dent est ajoutk avant la prise de l'kchantillon du lisier non traitk, ceci peut expliquer la prksence de Acinetobacter calcoaceticus, un organisme akrobie strict qui ne pourrait bien se dkvelopper dans les conditions anakrobies du lisier non traitk.

Dans l'effluent obtenu des cinq essais rkalisks, Acinetobacter calcoaceticus, un organisme chkmo-autotrophe urkolytique qui se dkveloppe bien un pH de 7,0, domine, aprbs 168 h d'akration, parrni les bactkries a Gram-nkgatif. La frkquence moyenne d'identification est de 44,0% pour cette espbce sur l'ensemble des identifications effectukes aprbs traitement; on peut comparer cette frkquence avec celles des autres groupes la fig. 3. En raison de l'implantation prkfkrentielle d'Acinetobac- ter calcoaceticus dans la population microbienne a Gram- nkgatif aprbs 168 h de traitement et de sa presence notable avant le traitement, on peut conclure que cette espbce joue un r61e majeur au cours de la minkralisation akrobie de la matibre organ- ique dans le lisier, cette conclusion est appuyke par la dominance des bactiries a Gram-nCgatif dans la flore totale, de la 24" h la 120" h du traitement. Robinson (1 97 1, 1979) et Robinson et al. (197 1)' ont aussi soulignC la presence notable d' Acinetobacter calcoaceticus.

Les autres organismes qui sont prksents dans la flore mixte du lisier aprbs traitement sont, pour la plupart, les mCmes que ceux qui ont kt6 identifi6s avant le traitement, avec plus ou moins la mCme importance. La forte diminution de la frkquence d'isole- ment E. coli et K . pneumoniae peut Ctre associke la trans- formation importante de la flore initiale de provenance entkrique. On peut noter l'kmergence apparente de Proteus vulgaris, micro- organisme protkolytique et indigbne des eaux uskes. La dispari- tion apparente de Proteus stutzeri, chemoorganotrophe poly- valent et amylolytique, peut Ctre un indice du passage de la phase amylolytique a la phase protkolytique.

Escherichia coii, Flavobact~rium odoraturn, K. pneumon- im, Moraxelfa spp. et SalmonelEa spp. voient leur frkquence d'apparition dans le lisier diminuer de Fqon importante apes le traitement; tous ces organismes sont des pathogenes potentiels 5 divers de@s. Sans conclure 5 une diminution nette du pouvoir pathoghe de Ia flore microbienne du lisier apks le traitement, on peut tout de mCme remarquer quelques indices existant en ce sens comrne le faible pouvoir pathogbne de Acinetobacter

2 ~ . Robinson, J. R. Saxon et S. H. Baxter. 1971. Livestock waste management and pollution abatement. Proc. Int. Symp. Livest. Wastes. American Society of Agricultural Engineers, St. Joseph, MI. pp. 225-228.

calcoaceticus; une telle diminution du pouvoir pathogbne de la flore prksente dans le lisier est hautement souhaitable pour les utilisations subskquentes du lisier trait&

Conclusion Le systbme de traitement mis a l'essai a la caractkristique de

ne pas recourir a un dispositif d'agitation, mais plutdt a une recirculation qui vise a obtenir un milieu plus homogbne. Coup16 avec un support de fixation pour la croissance micro- bienne approprik, le dispositif permet un arrangement de type biofiltration qui peut traiter du lisier sans colmatage, en plus de favoriser davantage la transformation du lisier par les bactkries. Les rksultats de cette ktude ont 1'intkrCt de porter sur un volume expkrimental a l'kchelle du petit pilote (1000L), en plus de permettre l'analyse de l'interaction des conditions physico- chimiques du traitement en relation avec le dkveloppement des populations bactkriennes. Au cours du traitement akrobie, nous constatons en effet que la population microbienne kvolue selon une dynamique typique correspondant a la transformation physico-chimique du lisier de porc.

La duke de notre traitement, soit 168 h, couvre entibrement la phase amylolytique (diminution importante de la DCO et du rapport C/N, augmentation importante du potentiel d'oxydo- rkduction, etc.) durant laquelle on observe la prkdominance de bactkries Gram-nkgatif. L'ajout d'amidon aprbs 24h de traitement permet d'assurer l'implantation de la flore arnyloly- tique qui opbre alors dans de meilleures conditions pour dCgrader les nombreux substrats glucidiques complexes et peu facilement biodkgradables prksents dans le lisier. Par la suite, l'klimination des substrats glucidiques se poursuivant, une transition se crke lentement vers la phase protColytique alors que le potentiel d'oxydo-reduction reste klevk. La duree du traite- ment ne permet cependant que l'initiation de cette phase oh on note une diminution importante de la population totale et de la proportion des bactkries Gram-nkgatif. La prolongation de la durCe du traitement pourrait permettre l'ktablissement d'une population nitrifiante-dknitrifiante, que I'on sait lente se dkvelopper (Sharrna et Ahlert 1977).

L'identification des souches provenant de l'effluent du traitement montre que ~cinetobacter calcoaceticus joue un r6le majeur dans le traitement akrobie du lisier de porc. On pourra songer optimiser le traitement akrobie du lisier en le divisant en deux Ctapes dont la premi6re serait conduite principalement a l'aide de Acinetobacter calcoaceticus qui domine les autres bactkries h Gram-nkgatif. Ce traitement est aussi amkliork par la presence d'un support de fixation microbienne. Quant a la seconde phase, le dknombrement de tous les groupes de bactkries a Gram-positif nous permettrait d'en prkciser la cinktique.

Bien que rkduisant sensiblement le nombre d'organismes pathogbnes, un traitement de 168 h permet la suwie d'un nom- bre important d'entre eux; il est probable qu'un traitement prolong6 contribuerait a en accentuer la diminution (Lund et Nissen 1983).

Remerciements Nous dksirons remercier le Conseil des recherches en

sciences naturelles et gknie du Canada (CRSNG, thtmatique << biotechnologies n), le Fonds pour la formation de chercheurs et l'aide a la recherche (subvention d'kquipe) et le Centre de recherche en nutrition pour leur support financier. Nous remercions Viateur Gonthier pour son hospitalitk, Gaston Picard pour son aide dans I'installation du fermenteur et Deirdre Ni Eidhin pour sa contribution la rkdaction finale.

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