Etude sur la fermentation méthanique des boues activées de la station d'épuration de Boumerdes en Algérie

II.5 La biochimie de la méthanogènese 

Le méthane est produit en conditions strictement anaérobies par des archaebactéries à l'exclusion de toute autre catégorie d'organismes. C'est le stade ultime d'une chaine de transformations des matières organiques, commencées en présence d'oxygène, poursuivie en anaérobiose plus ou moins complète par les fermentations, la dénitrification ou d'autres respirations anaérobies, et par l'acétogenèse.

Les compétiteurs naturels des méthanogènes sont les bactéries sulfatoreductrices, car leur activité détourné l'hydrogène et tend à freiner l'apparition du méthane la ou le sulfate est abondant (notamment en milieu marin). En outre le sulfure dégage inhibe le développement des méthanogènes.

L'énergie de la méthanogènese est directement couplée à un transport de protons ou d'ions sodium vers l'extérieur, c'est-a-dire à l'établissement d'un potentiel membranaire. Elle s'apparente donc a une respiration. Comme l'énergie récupérée est relativement faible, les méthanogènes sont contraints de transformer une grande quantité de source carbonée et tendent à s'associer avec d'autres espèces microbiennes complémentaires par leur l'activité.

La formation du méthane obéit à une mécanique particulière fondée sur l'emploi de coenzymes inédits. Les génomes de Methanococcusjannaschii et Methanobacteriumthermoaceticumont été entièrement séquences et apportent une mine de données pour répertorier et comparer tous les éléments de la biochimie très particulière de ces organismes.

II.6.1 Les principales voies de la méthanogènese

La méthanogénèse microbienne est une forme de respiration anaérobie (R. K. Thauer), l' oxygène étant un inhibiteur de croissance chez les méthanogènes. Dans la respiration aérobie, O₂ est l'accepteur final d' électrons et il se forme de l' eau; dans le cas des méthanogènes, l'accepteur final d'électrons est le carbone de petites molécules organiques. On peut diviser les organismes méthanogènes en trois classes en fonction de leur substrat: les hydrogènotrophes, les méthylotrophes et les acétotrophes (Yuchen Liu et William B. Whiteman)  voire tableau IV.

Tableau IV : Tableau récapitulatif des organismes méthanogènes en fonction de leur substrat (Yuchen Liu et William B. Whiteman).

Réactions globales pour la méthanogenèse	ÄG^0'[kJ/mol CH4]	Organismme
	Hydrogénotrophe
CO2 + 4 H2 ? CH4 + 2 H2O	-135	la plupart des méthanogènes
4 HCOOH ? CH4 + 3 CO2 + 2 H2O	-130	beaucoup de méthanogènes hydrogénothrophes
CO2 + 4 isopropanol ? CH4 + 4 acétone + 2 H2O	-37	Quelquesméthanogènes hydrogénothrophes
4 CO + 2 H2O ? CH4 + 3 CO2	-196	Methanothermobacterund Methanosarcina
	Méthylotrophe
4 CH3OH ? 3 CH4 + CO2 + 2 H2O	-105	Methanosarcina et autres méthanogènes méthylothrophes
CH3OH + H2 ? CH4 + H2O	-113	Methanomicrococcusblatticolaet Methanosphaera
2 (CH3)2S + 2 H2O ? 3 CH4 + CO2 + 2 H2S	-49	Quelques méthanogènes méthylothrophes
4 CH3NH2 + 2 H2O ? 3 CH4 + CO2 + 4 NH3	-75	Quelques méthanogènes méthylothrophes
2 (CH3)2NH + 2 H2O ? 3 CH4 + CO2 + 2 NH3	-73	Quelques méthanogènes méthylothrophes
4 (CH3)3N + 6 H2O ? 9 CH4 + 3 CO2 + 4 NH3	-74	Quelques méthanogènes méthylothrophes
4 CH3NH3Cl + 2 H2O ? 3 CH4 + CO2 + 4 NH4Cl	-74	Quelques méthanogènes méthylothrophes
	Acétotrophe
CH3COOH ? CH4 + CO2	-33	Methanosarcina et Methanosaeta

II.5.1.1 Réduction de l'acide acétique

La méthanogènese n'existe que chez les archaebactéries et correspond a un processus générateur d'énergie qui s'empare des produits abondants engendres par d'autres organismes. L'acide acétique des fermentations ou des acétogènes est l'un d'eux. La méthanogènese dite acétoclastique utilise l'acide acétique selon un bilan très simple :

CH3-COOH ?? CH4 + CO2

Il correspond à une part importante du méthane produit dans la nature en recyclant cet acide acétique qui sans cela s'accumulerait en abondance en milieu anaérobie.

Cette voie de synthèse fait intervenir successivement plusieurs enzymes, coenzymes et cofacteurs en quatre étapes majeures (voire figure 04).

· Un group acétyl est transféré sur la coenzyme A (CoA-SH) à partir d'une molécule d'acétate pour former l'acétyl-coenzyme A (CoA-S-CO-CH₃). Ceci peut se faire de deux manières (J. Lengeler, G. Drews et H. Schlegel).

- à l'aide du sytème acétate kinase- phosphate acétyltransférase

Acétate + ATP CH₃COOPO₃ + ADP

CH₃COOPO₃ + CoA-SH CoA-S-COCH₃ + HPO₄^2-

- en utilisant l' acétyl-coenzyme A synthétase ( EC 6.2.1.13)

Acétate + ATP + CoA-SH CoA-S-COCH₃ + AMP + diphosphate

· L' acétyl-coenzyme A synthase transfère un groupe méthyle de l'acétylcoenzyme A sur la tétrahydrométhanoptérine pour donner la méthyl-THM (N5-methyl-THM) en libérant un monoxyde de carbone qui est oxydé en dioxyde de carbone.

· La méthyl-THM transfère son méthyle à la coenzyme M (CoM-S-H) sous l'action de la tétrahydrométhanoptérine S-méthyltransférase (R.K. Thauer) ,pour régénérant la tétrahydrométhanoptérine en formant la méthyl-coenzyme M (CoM-S-CH₃).

· La méthyl-coenzyme M réagit enfin avec la coenzyme B (CoB-S-H) pour donner un hétérodisulfure (CoB-S-S-CoM) en libérant le méthane sous l'action de la méthyl-coenzyme M réductase.Le composé disulfure est ensuite réduit à l'aide de la coenzyme F420 pour régénérer les deux thiols.

Figure n° 05: Les étapes de la réduction de l'acide acétique durant la la méthanogènes acétoclastique (Yuchen Liu et William B. Whiteman).