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Le rôle des micro-organismes en aquaculture :
1.Les problèmes rencontrés
Une mauvaise qualité de l’eau est une source de problèmes et une perte de revenu pour l’aquaculteur. En effet, des fortes concentrations en ammoniaque / nitrites, une accumulation des déchets organiques, de faibles teneurs en oxygène augmentent le risque de maladie des animaux et diminuent ainsi leur taux de croissance et de conversion alimentaire.
De plus, une mauvaise qualité de l’eau favorise le développement de bactéries pathogènes difficiles à éliminer. Les désinfectants et médicaments peuvent aider à combattre quelques maladies mais ils ne traitent que les symptômes et pas les causes des problèmes. Il vaut mieux prévenir que guérir ainsi on élimine énormément de perte dans la production.
2.La solution : rééquilibrer l’eau et traiter les déchets organiques
Les bactéries naturellement présentes dans l’eau ne sont pas en assez grand nombre et pas assez adaptées pour traiter la surcharge de pollution présente en aquaculture, surtout en élevage intensif. Un apport en micro-organismes sélectionnés peut aider à améliorer l’eau.
Le contrôle des teneurs en ammoniac et en nitrite dans les filtres biologiques est accompli par les bactéries nitrifiantes. Les Nitrosomonas convertissent l'ammoniac en nitrite, et les Nitrobacter convertissent le nitrite en nitrate.
Schéma 1 : Schéma simplifié des étapes de la nitrification (réaction aérobie)
Les bactéries nitrifiantes sont très sensibles aux conditions du milieu, en particulier les Nitrobacter. Plusieurs facteurs peuvent limiter leur croissance. La surface active du filtre biologique devrait demeurer dans l'obscurité, la lumière ayant un effet d'inhibition. Un excès de matière organique inhibe également les nitrifiants. Enfin, une population équilibrée de bactéries hétérotrophes est essentielle au contrôle des polluants organiques solubles.
Schéma 2 : Schéma simplifié des étapes de biodégradation organique (réaction aérobie)
La dégradation des sédiments organiques peut se faire grâce à l’action des micro-organismes dans le but de réduire la quantité de boues générées par les filtres.
La description de la biodégradation de la matière organique est fondée, selon l’école du PIRENSeine, sur les principes suivants (Figure 1 ci-dessous) : la matière particulaire biodégradable est hydrolysée, plus ou moins rapidement, en matière dissoute biodégradable, qui est elle-même hydrolysée par les bactéries puis assimilée (Billen et al., 1994).
Figure 1 : modélisation conceptuelle des processus de biodégradation de la matière organique. HPi : matière organique particulaire biodégradable ; HDi : matière organique dissoute biodégradable ; S : monomères organiques directement assimilables par les bactéries ; B : bactéries. Les ordres de grandeur des cinétiques sont donnés pour les conditions suivantes : 25°C, biomasse bactérienne 100µgC/L, HDi = 0.5 et 2.5 mgC/l.
Une phase de transport permet d'amener les polluants (solubles et insolubles) du sein du liquide à la surface de la bactérie. Le substrat soluble diffuse facilement à travers la membrane, alors que les matières insolubles (particules, colloïdes et grosses molécules) sont après leur adsorption à la surface de la bactérie, hydrolysées par des exo-enzymes avant d'être à leurs tours facilement assimilables.
C'est au sein de la cellule que s'effectue la métabolisation des polluants: - l'assimilation (ou anabolisme) qui est l'utilisation des matières polluantes pour la synthèse de nouvelles cellules - la respiration (ou catabolisme) qui permet la combustion des substrats afin de libérer l'énergie nécessaire aux micro-organismes pour assurer leurs fonctions vitales - la respiration endogène au cours de laquelle les micro-organismes utilisent leur propre matière en guise de substrat.
Élimination de carbone : Le processus de dégradation de la matière carbonée est plus rapide en aérobiose et la bactérie est plus active que les organismes plus évolués. Le carbone organique se retrouve sous forme de CO2 et de biomasse.
3.Choix des produits
Nous retrouvons sur le marché beaucoup de produits à base de bactéries lyophilisées. Il est vrai que cette technique de déshydratation permet d’augmenter la durée de conservation du produit mais présente cependant bien des désavantages.
En effet, ce process implique des changements de la température du produit assez agressifs pour les micro-organismes surtout lors de la phase de congélation, ce qui n'est pas sans conséquence pour les cellules. Les parois cellulaires des bactéries Gram négatif, avec une couche de peptidoglycane plus fine que celles des bactéries à Gram positif, ont beaucoup plus tendance à se rompre pendant les processus de dessiccation et la réhydratation (Pembrey et coll., 1999).
Effet du temps de stockage sur l'activité d'élimination d'azote de Nitrosomonas et Nitrobacter (Grunditz et Dalhammar 2001).
Tableau 1 : Réactivation de gel contenant des bactéries nitrifiantes après la conservation par congélation, séchage ou lyophilisation avec différents protectants ajoutés : activité initiale et le rapport de l'activité originale conservée, estimation de l'activité mesurée pendant les premières 2 à 14 h de régénération en mode batch ; temps avant que l’activité d’origine a été régénérée ; l'accumulation de nitrite maximale pendant la régénération par rapport au taux d'élimination de l'ammonium. (Vogelsang et al., 1999).
Technique de conservation
Protectant
Activité initiale (mg NH4-N/h)
Rapport de l'activité originale conservée (%)
Temps avant que l'activité originale a été régénérée (jrs)
Accumulation de nitrites relative maximale (%)
Point de congélation
(-80 ° C)
Aucun
4,4
59
1,5
2,8
15 % de glycérol
3,0
41
3,0
3, 2
Séchage
Aucun
0,5
7
4,3
22
15 % de glycérol
0,8
11
5,3
24
saccharose 10 mM
0,6
8
5,0
27
saccharose 100 mM
0,03
0,4
8,7
14
tréhalose de 10 mM
2,8
38
5,5
17
tréhalose 100 mM
0,6
8
7,2
20
Lyophilisation
Aucun
0,1
2
9
n.d.
saccharose 10 mM
0,2
3
6, 7
36
saccharose 100 mM
0,5
7
5, 8
26
tréhalose de 10 mM
0,3
4
6,5
30
tréhalose 100 mM
0,7
9
7,5
16
Un autre paramètre qui influe sur la viabilité cellulaire est le taux de réhydratation (Mille et coll., 2003). Les meilleurs résultats ont été obtenus en réhydratant les cellules plus 16 min avec-0,136 MPa/s qui a permis la survie de 36,4 % des bactéries.
Ces produits sont souvent de mauvaise qualité et la plupart du temps ils ne contiennent pas de micro-organismes mais uniquement des enzymes qui peuvent devenir inactives très rapidement.
C’est pourquoi il faut s’assurer que les produits contiennent réellement des bactéries vivantes qui sont de véritables usines à enzymes à part entière.
4.Application en aquaculture
Les filtres biologiques sont typiquement utilisés en aquaculture et dans les viviers pour contrôler les teneurs en ammoniac et en nitrite. Trois principaux facteurs affectent les filtres biologiques : la communauté biologique, la physico-chimie de l'eau et la conception physique du système.
< >Communauté biologique Physico-chimie de l'eauConception physique
Le rôle de tous les filtres biologiques (lits filtrants, biodisques ou lits fluidisés) est de fournir un habitat pour les micro-organismes. Une surface de contact importante permet le développement d'une large population de bactéries. La surface de contact doit cependant être équilibrée avec la porosité du filtre.
Étant donné que la filtration biologique résulte en une croissance de masse bactérienne, les filtres ayant une porosité inadéquate se colmatent rapidement. Un biofiltre bien conçu devrait être autonettoyant. Enfin, la nature de la matrice physique peut également affecter la mise en opération du filtre. Les surfaces lisses sont plus difficiles à coloniser par les bactéries que les surfaces rugueuses.
L'écoulement de l'eau à travers le filtre est très important. Un débit adéquat est essentiel pour assurer que la contamination ou la nourriture puisse atteindre les bactéries. Les bactéries ne sont pas mobiles. Elles utilisent la nourriture autour d'elles, et si les mouvements de l'eau ne sont pas suffisants, des conditions se développeront où les bactéries nitrifiantes ne pourront croître ou travailler adéquatement. Toute l'eau doit être physiquement filtrée ou clarifiée pour enlever les solides avant d'alimenter le filtre biologique, et ces solides doivent être retirés du système aussi rapidement que possible. Un débit d'eau inadéquat combiné à une accumulation de solides peut être la cause de problèmes majeurs. Ces zones anoxiques pourront devenir une source de synthèse d'ammoniac et de nitrite même à l'intérieur du biofiltre. Le nitrite dérive non seulement de la transformation de l'ammoniac mais aussi par dénitrification partielle du nitrate.
Tous les équipements de stérilisation d'eau doivent être mis hors service lors du démarrage du biofiltre