La digestion de la cellulose - ExpoJournal - Cégep de Saint

La digestion de la cellulose
Par : Luc Bouchard-Lalancette et Gabrielle Delisle
Résumé : La digestion de la cellulose. Bouchard-Lalancette, L. & G. Delisle.
2015. Rapport interne. Sciences, Cégep St-Félicien. Analyse de la matière
ruminée d’une vache pour déterminer si les bactéries continuent à
hydrolyser la cellulose en glucose, et ce, à l’extérieur de son estomac. La
concentration de glucose a augmenté selon le temps. Toutefois, après
environ 1 heure elle tend à diminuer.
Abstract : The cellulose digestion. Bouchard-Lalancette, L. & G. Delisle.
2015. Internal report. Sciences, Cégep St-Félicien. Ruminated matter
analysis to determine if hydrolytic bacteria continue to transform cellulose
to glucose out of cow’ stomach. Glucose concentration increased by time
but tend to decrease after one hour.
Mots clés: chimie, cellulose,
hydrolyse, matière ruminée
glucose,
vache,
bactérie,
Les vaches, à l’inverse de l’être humain, sont capables de digérer le foin, c’est-à-dire
la cellulose et de le transformer en glucose. De cette façon, elles obtiennent l’énergie
nécessaire à leur bon fonctionnement. Le processus de digestion s’effectue grâce aux
bactéries hydrolytiques contenues dans leurs estomacs. À travers cette
expérimentation, le but était de vérifier si ces bactéries, manipulées à l’extérieur de
l’estomac dans des conditions similaires, survivaient et continuaient à hydrolyser la
cellulose.
Théorie
D’une part, les vaches sont des herbivores puisque leur alimentation est composée
principalement de matières végétales,
c’est-à-dire de foin, d’herbes, etc. Elles Fig. 1: Plusieurs monomères de glucoses
attachés ensemble forment la cellulose
sont aussi des ruminants, car elles
mastiquent leurs aliments constamment,
et ce, même après la première
ingurgitation. Après avoir été avalés, les
aliments reviennent dans la bouche
(régurgitation) où ils sont mélangés avec
de la salive et mastiqués à nouveau. Cette
La digestion de la cellulose, Cégep de St-Félicien
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activité permet de défaire la cellulose (fig.1) contenue dans leur alimentation en
monomères de glucose, et ainsi obtenir de l’énergie. Le rumen, soit l’un des quatre
estomacs de la vache, est un environnement propice à la croissance et la reproduction
des bactéries qui créent les enzymes servant à défaire la cellulose. Il existe plusieurs
types de bactéries présentes dans cet estomac, dont celles hydrolytiques, qui
dégradent la matière organique pure (les polymères) en morceaux solubles
(monomères). Une bactérie hydrolytique est l’équivalent d’une bactérie anaérobie
facultative, c’est-à-dire qu’elle peut vivre en présence de dioxygène, à l’inverse de
celle anaérobie stricte.
D’autre part, la température corporelle d’une vache varie entre 38,8 °C et 39,2°C. De
plus, le pH de l’estomac se situe normalement près de la neutralité, à environ 6.5. La
gamme de pH optimale pour les bactéries hydrolytiques se situe entre 4,5 et 6,3.
Hypothèses:
1. En milieu similaire à l’estomac de la vache, les bactéries présentes dans son
estomac transforment la cellulose en monomères de glucose.
2. La concentration du glucose augmentera avec le temps et deviendra stable au
moment où toute la cellulose sera transformée.
Méthodologie
Afin de déterminer si le glucose augmentait selon le temps, il a fallu, dans un premier
temps, prélever un échantillon de matière ruminée chaque semaine. De cette façon, il
était possible d’effectuer un dosage colorimétrique à l’anthrone. Cela consistait,
d’abord, à ajouter le réactif d’anthrone dans des substances témoins dont la
concentration de glucose était connue et de les passer au spectrophotomètre. Ainsi,
une courbe standard témoin de l’absorbance en fonction de la concentration de glucose
(fig.2) était établie. Ensuite, ce même processus était fait sur les échantillons de
matière ruminée. Avec la courbe standard témoin et la lecture de l’absorbance de ces
échantillons, le graphique de la concentration de glucose selon le temps était
réalisable. De plus, un test supplémentaire (test de Molisch) est venu confirmer la
présence de glucose dans les échantillons. Finalement, une culture de bactéries a été
exécutée. Ces bactéries ont été ajoutées à un mélange d’eau et de foin et soumises
au test de l’anthrone pour vérifier, encore une fois, si la concentration de glucose
augmentait selon le temps.
Résultats
Voici les résultats obtenus des différents tests échelonnés sur une période de neuf
semaines. En tout premier lieu, il y a les résultats du dosage à l’anthrone (une seule
courbe standard est présentée) et ensuite celui du test de Molisch. Aucun résultat n’est
disponible pour la culture de bactéries étant donné des erreurs de manipulation.
La digestion de la cellulose, Cégep de St-Félicien
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Fig.2: Courbe standard témoin de la semaine 2
Concentration de glucose (mmol/L) en fonction
de l'absorbance
Absorbance
1,5
1
y = 3,407x
R² = 0,9964
0,5
0
0
0,05
0,1
Source: Bouchard-Lalancette L. et Delisle G.
2015, Courbe standard semaine 2.
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
Concentration de glucose (mmol/L)
Fig.3: Courbes de la concentration de glucose en fonction du temps des différents échantillons
de matière ruminée
CONCENTRATION DE GLUCOSE (MMOL/L)
0,16
0,14
CONCENTRATION DE GLUCOSE (MMOL/L)
SELON LE TEMPS (HEURE) DE 4 ÉCHANTILLONS
y = -0,0212x2 + 0,0864x + 0,0432
R² = 1
y = -0,0485x2 + 0,102x + 0,062
R² = 1
0,12
y = -0,0017x2 + 0,0142x + 0,082
R² = 1
Semaine 2
0,10
Semaine 3
Semaine 6
0,08
Semaine 7
y = -0,0041x2 + 0,0296x + 0,0448
R² = 1
0,06
0,04
0
0,5 G.
Source: Bouchard-Lalancette
L. et Delisle
2015, 4 échantillons de matière ruminée.
1
1,5
2
2,5
TEMPS (HEURE)
La digestion de la cellulose, Cégep de St-Félicien
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Fig.4: Résultat du test de Molisch
Discussion
Avec les résultats précédents, il est possible de confirmer la première hypothèse, soit
qu’en milieu similaire à l’estomac de la vache, les bactéries continuent à hydrolyser la
cellulose en monomères de glucose. En effet, on constate que les quatre courbes de
la concentration de glucose en fonction du temps augmentent (fig.3). Cela révèle que
les bactéries sont vivantes et qu’elles poursuivent leur travail hydrolytique. De plus, le
test de Molisch affiche une couleur pourpre (fig.4), ce qui témoigne de la présence de
glucose dans les solutions de matière ruminée. Toutefois, la deuxième hypothèse, qui
stipule que la concentration de glucose augmente en fonction du temps et se stabilise
au moment où toute la cellulose est transformée, est en partie infirmée. En effet, au
bout d’un certain temps (après 1h lors de la semaine 6 d’expérimentation), la
concentration de glucose dans la solution diminue. Pour ce qui est des courbes des
autres semaines, il aurait fallu prolonger la durée de leur analyse pour avoir une
meilleure idée de leur allure. Selon les fonctions qu’elles affichent (fonctions
polynomiales inverses de degré deux), on peut croire qu’elles finiront par redescendre,
tout comme celle de la semaine 6. Mais cela reste néanmoins qu’une supposition.
Critiques et suggestions
Plusieurs points forts ressortent de cette expérience. Premièrement, les manipulations
ont été répétées de la même façon chaque semaine, en diminuant à chaque fois les
erreurs des semaines précédentes. Cela a permis de construire une base de données
plutôt significative dont les résultats se ressemblent d’une semaine à l’autre. De plus,
le test de Molisch est fiable puisqu’il ne contient pas d’incertitudes. La couleur pourpre
est apparue, donc la présence de glucose dans les échantillons est certaine.
Deuxièmement, les courbes standards (exemple à la fig.2) qui permettaient de
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construire les graphiques étaient refaites chaque semaine pour rendre fiables les
résultats malgré l’instabilité de l’anthrone.
Par ailleurs, certains points faibles sont observables. Dans un premier temps, les
résultats obtenus sont moyennement fiables puisque les marges d’incertitudes sont
élevées. Cela s’explique par le fait que chacune des courbes des graphiques (fig.3)
était construite à partir de deux ou de trois données seulement. En effet, peu de temps
était disponible au laboratoire. De plus, les échantillons de matière ruminée n’étaient
pas toujours prélevés sur la même vache et pris au même stade de rumination. Cela
a pu avoir une influence sur le nombre de bactéries présentes dans ces échantillons.
Dans un deuxième temps, la culture de bactéries n’a pas donné des résultats
concluants, car les manipulations s’échelonnaient sur deux semaines. Ainsi, l’anthrone
n’a pas réagi de la même façon d’une fois à l’autre.
Afin d’améliorer les faiblesses du projet, il faudrait refaire le même protocole, mais sur
un intervalle de temps plus long pour récolter plus de données. De plus, il serait
préférable de récolter la matière ruminée sur le même animal et essayer de la prélever
au même stade de rumination. Pour ce qui est de la culture de bactéries, il faudrait
réduire la période entre les dosages à l’anthrone. À partir d’ici, il est possible d’émettre
de nouvelles hypothèses :
1. Il est possible de transformer le bois en sucre à partir des bactéries
hydrolytiques du rumen de la vache.
2. La diminution du glucose après un certain temps s’explique par le fait que les
bactéries consomment le sucre qu’elles ont hydrolysé auparavant. (Pour la
vérifier, on pourrait alors ajouter des nutriments dans les échantillons de
matière ruminée afin de nourrir les bactéries et d’éviter une diminution du
sucre.)
Retombées et impacts du projet
Le projet permet de mieux comprendre et expliquer le phénomène de la digestion de
la cellulose à l’intérieur de la vache. S’il était plus élaboré, il pourrait peut-être
permettre de régénérer la flore bactérienne d’une vache après la prise d’antibiotiques.
Puisque les vaches sont essentielles à notre quotidien, il est important que leur
digestion fonctionne convenablement. De plus, la transformation du bois en sucre avec
les bactéries de la flore bactérienne pourrait être révolutionnaire. D’ailleurs, comme
l’industrie forestière est en baisse, il serait envisageable d’exploiter le bois à des fins
alimentaires. La fabrication de biocarburants, comme l’éthanol, serait aussi une
retombée possible pour le projet.
Conclusion
Finalement, la première hypothèse est confirmée. En effet, les résultats obtenus
prouvent que la quantité de glucose contenue dans les échantillons de matière ruminée
La digestion de la cellulose, Cégep de St-Félicien
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augmente selon le temps. De plus, le résultat positif du test de Molisch apporte une
preuve additionnelle de la présence de glucose dans les échantillons. Ainsi, on peut
conclure qu’en milieu similaire à l’estomac de la vache, les bactéries poursuivent leur
travail hydrolytique, en décomposant la cellulose en glucose. Par contre, la seconde
hypothèse est infirmée. Tout particulièrement aux résultats de la semaine 6, on
remarque une diminution du glucose après une heure. De ce fait, il est impossible de
dire que la concentration de glucose devient stable au moment où toute la cellulose
est transformée.
Remerciements
Merci à M. Dany Delisle, agriculteur, pour son aide attribué au prélèvement des
échantillons de matière ruminée chaque semaine. Cela a contribué à simplifier les
manipulations du projet et a permis de refaire l’expérience plus d’une fois afin de
valider avec le plus de précision possible les hypothèses.
Médiagraphie
Livre

BOULIANNE, R. (2014). Laboratoire#5 : Dosage des glucides par colorimétrie,
inspiré de la méthode de l’anthrone par Dreywood (1946), tiré du cahier de
protocole du cours 202-204-FE, Cégep de St-Félicien, St-Félicien, Canada.
Sites Internet

DÉRY, Martin et BOIVIN, Patrick, Du glucose avec la cellulose, (page
consultée le 30 novembre 2014, [En ligne],
http://www.cstfelicien.qc.ca/scinat/cyberexpojournal2005/w05c04.pdf

WATTIAUX, Michel A. et HOWARD, W. Terry, Digestion chez la vache laitière,
(page consultée le 30 novembre 2014), [En ligne],
http://babcock.wisc.edu/sites/default/files/de/fr/de_01.fr.pdf

GRANDBOIS, Denys, L’analyse des composés biochimiques, (page consultée le
28 janvier 2015), [En ligne],
http://cyber.collegeshawinigan.qc.ca/dgrandbois/Cours-enseignes/Analyseorganique-I/Laboratoires/05-Analyse-composes-bio-A04.pdf
La digestion de la cellulose, Cégep de St-Félicien
Page 6

DELFOSSE PHILIPPE, Microbiologie de la digestion anaérobie, (page consultée
le 28 janvier 2015), [En ligne],
http://www.aile.asso.fr/wp-content/uploads/2013/07/CR_presentationPhillipe-Delfosse_avec-ppt_2011-06-21.pdf

WIKIPEDIA, Spectrophotomètre, (page consultée le 28 janvier 2015), [En
ligne],
http://fr.wikipedia.org/wiki/Spectrophotom%C3%A8tre
Iconographie

Image d’en-tête : http://pcd.wikipedia.org/wiki/Vake

Figure 1 :
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:HaworthStrukturCellulose.jpg

Figure 2 et 3 : Cégep Saint-Félicien 2015, microsoft excel 2013. BOUCHARDLALANCETTE. L et DELISLE. G

Figure 4 : Photo personnelle, BOUCHARD-LALANCETTE. L, Cégep de SaintFélicien, 2015. Reproduction interdite
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ANNEXE 1 : Tableaux complets des résultats
Tableau de l'absorbance de 4 solutions de
matière ruminée en fonction du temps
(heure)
Solution:
Temps
(heure)
Semaine 2
Absorbance Incertitude
0
1,5
2
0
1
1,75
0
1
2
0
1
2
Semaine 3
Semaine 6
Semaine 7
0,17
0,44
0,46
0,162
0,255
0,305
0,19
0,35
0,22
0,25
0,28
0,31
±0,005
±0,005
±0,005
±0,005
±0,005
±0,005
±0,005
±0,005
±0,005
±0,005
±0,005
±0,005
Tableau de la concentration de glucose (mmol/L) en
fonction du temps (heure) des 4 échantillons de matière
ruminée
semaine 2
semaine 3
semaine 6
semaine 7
Temps (heure)
[] mmol/L
[] mmol/L
[] mmol/L
[] mmol/L
0
0,05 ± 0,03
0,04 ± 0,03
0,06 ± 0,03
0,08 ± 0,03
0,07 ± 0,03
0,12 ± 0,04
0,09 ± 0,03
0,07 ± 0,03
0,1 ± 0,04
1
1,5
0,13 ± 0,04
1,75
2
0,08 ± 0,03
0,13 ± 0,04
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ANNEXE 2 : Incertitudes et exemples de calculs
Incertitude sur l’absorbance: ±0,05 pour les lectures d’absorbance entre 0 et 0,5.
Incertitude sur la balance électronique: 1%
Incertitude sur la pipette de 2 ml: 1%
Incertitude sur la pipette de 1 ml: 1%
Incertitude sur le cylindre gradué de 100 ml : ±0,5 ml
Exemple de calcul pour déterminer la concentration de glucose d’une
solution (semaine 2):
Fonction de la courbe standard : y=3,407x, où x=Concentration de glucose
(mmol/L) et y=absorbance.
Absorbance du spectrophotomètre (à temps 0) : 0,17 ± 0,05
Calcul : x = 0,17 ÷ 3,407 = 0,0499
mmol
L
Exemple de calcul pour déterminer l’incertitude sur la concentration de glucose d’une
solution (semaine 2):
Incertitude de l’absorbance= ±0,05
Absorbance max= 1,1
Absorbance min=0
Incertitude de la pente du graphique de l’absorbance=
Pente max=
Pente min =
𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑚𝑎𝑥+𝛥𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒
𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒𝑚𝑖𝑛− 𝛥𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒
𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑚𝑎𝑥−𝛥𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒
𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒𝑚𝑖𝑛+ 𝛥𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒
Incertitude de la pente=
= |(
=|
1.1+0,05
0−0,05
1.1−0,05
0+0,05
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑒𝑚𝑎𝑥+𝑃𝑒𝑛𝑡𝑒𝑚𝑖𝑛
2
) |=23
|=21
23−21
2
= ±1
Pente de la courbe témoin= 3±1
Incertitude sur la concentration de glucose :
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𝛥[𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑒] 𝛥𝑃𝑒𝑛𝑡𝑒 𝛥𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒
=
+
[𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑒]
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑒
𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒
𝛥[𝑔𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑒] =
0,0499𝑚𝑚𝑜𝑙 1 0,05
𝑚𝑚𝑜𝑙
∗( +
) = ±0,03
𝐿
3 0,17
𝐿
ANNEXE 3 : Matériel et manipulations de la matière ruminée
Matériel:
-
-
Une vache
Matière ruminée
1 bain thermostaté
Glucose
Anthrone
1 spectrophotomètre
1 Centrifugeuse
Alpha-naphtol
Éthanol
Acide sulfurique concentré
1 chronomètre
Éprouvettes en vitre
1 malaxeur
10 tubes à spectrophotomètre
1 pipette pasteur
1 bain de glace
1 bain-marie bouillant
1 flacon distributeur
1 balance électronique
Nacelles de pesée
1 pipette de 2 ml
Pipette de 1 ml
1 cylindre gradué de 100 ml
Eau distillée
Charbon
Erlenmeyer à vide
Trompe à eau
Joint conique
Entonnoir de Büchner
Papier filtre
Manipulations :
1. Récolter la matière ruminée (contenu gastrique d’une vache)
2. Disposer 5g de matière ruminée dans un malaxeur et la mélanger avec 500
ml d’eau. (Solution)
3. Placer la solution dans un bain thermostaté à une température de 38,5°C.
4. Prendre des échantillons de la solution à différents temps et les placer dans
des éprouvettes afin de les centrifuger pendant 15 minutes.
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5. Effectuer un filtrage au charbon sous vide des échantillons.
6. Effectuer un dosage colorimétrique à l’anthrone sur les échantillons.
*Effectuer le test de Molisch sur un échantillon afin de confirmer la présence de
glucose.
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