Optimisation statistique d'une composition d'engrais durable à base de larves de mouches soldats noires comme source d'azote

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20505 (2022) Citer cet article

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Dans le présent travail, une optimisation statistique d’un revêtement durable pour les engrais NPK (azote – phosphore – potassium) a été étudiée. Le revêtement vert environnemental a été enrichi en azote à l'aide d'une biomasse et d'une source renouvelable, à savoir la fraction riche en azote des larves de mouches soldats noires (BSFL) (Hermetia Illucens, Diptera : Stratiomyidae) élevées sur des déchets végétaux. Une approche rationnelle a été proposée dans le but de calculer la meilleure formulation du revêtement, en considérant à la fois son comportement de fabrication, comme l'adhésion au noyau, et ses propriétés physiques, comme l'homogénéité ou la plasticité. Dans une perspective d'économie circulaire, outre la fraction riche en azote du BSFL (de 51 à 90 % en poids), l'eau et le glycérol ont été pris en compte pour la formulation du revêtement dans différentes proportions : de 10 à 32 % en poids et de 0 à 17. % en poids respectivement. La technique des plans d'expériences a été mise en œuvre pour limiter le nombre total de tests pour la formulation du revêtement (18 tests). L'ANOVA a été utilisée dans le but d'obtenir des modèles mathématiques permettant d'en dériver une formulation plus précise et plus objective. Les résultats montrent que l'utilisation de glycérol peut être évitée et que seule une quantité limitée d'eau (11 % en poids) est nécessaire pour obtenir une formulation de revêtement optimisée, satisfaisant ensuite les propriétés technologiques et physiques les plus pertinentes pour la fabrication du revêtement. .

La population mondiale devrait atteindre 9,7 milliards en 2050 et 10,9 milliards en 21001. Cette croissance devra faire face au changement climatique et à ses effets sur la production alimentaire mondiale, car d'ici la fin du XXIe siècle, le changement climatique devrait augmenter. transformer entre 1,8 % et 4,6 % des terres mondiales en terres arides, affectant plus de 270 millions de personnes2. Actuellement, les terres cultivées subiront également une pression croissante causée par l’urbanisation3 et, par conséquent, par une exploitation plus intense4. En outre, les activités liées à l'agriculture et à l'utilisation des terres représentaient 71 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) du système de production alimentaire en 2015. Il est donc important de renforcer la durabilité et l'efficacité du système agricole5,6.

Dans ce contexte, les engrais, et en particulier les « engrais respectueux de l’environnement » (EFF), constituent l’un des principaux piliers de l’agriculture moderne, car ils permettent une énorme augmentation de la production végétale par unité de terrain, en fournissant aux plantes les principaux nutriments nécessaires à leur croissance. leur croissance7,8,9,10. Pour produire des EFF, les matériaux naturels, d'origine naturelle ou organiques sont généralement préférés, car ils ont un impact moindre sur l'environnement, sont facilement disponibles et peuvent aider à éviter ou à limiter les polluants dans le sol, par rapport aux polymères dérivés du pétrole11,12, 13. En outre, ils peuvent avoir d’autres caractéristiques positives, comme l’augmentation de la teneur en matière organique du sol ou l’enrichissement du sol avec un élément nutritif particulier11,14. Cependant, les matériaux utilisés pour produire les EFF présentent plusieurs défauts qui entravent leur propagation : par exemple, les processus de production sont souvent compliqués ou coûteux, tandis que les conditions environnementales ont des effets inconnus sur les schémas réels de libération des nutriments12,15,16.

Parmi les macronutriments des plantes, l'azote est l'un des plus exigeants, car les engrais à base d'urée se caractérisent par une perte comprise entre 40 et 70 %17. Cette perte est à l'origine de plusieurs processus de pollution, car les eaux souterraines sont contaminées par des nitrates lessivés et l'atmosphère est exposée à la fois à la volatilisation de NH3 et aux émissions de GES, comme le N2O18,19,20,21. D’un autre côté, les engrais à base d’ammoniac sont extrêmement nocifs pour l’environnement, car 2 000 kg de CO2 sont générés pour 1 000 kg de NH3 obtenu, et l’ensemble du processus de production dépend de l’utilisation du gaz naturel22. Dans ce contexte, une source alternative d’azote est nécessaire, et une source possible peut être identifiée dans la conversion des déchets organiques, tout en résolvant en même temps partiellement les problèmes écologiques découlant de l’élimination des déchets organiques23,24,25,26. ,27,28. Parmi les méthodes biologiques ou chimiques de conversion des déchets organiques, l'utilisation de larves de mouches soldats noires (BSFL) (Hermetia Illucens, Diptera : Stratiomyidae) est considérée comme un outil de bioconversion efficace et sûr pour leur traitement29,30,31. En effet, lorsqu’on envisage la valorisation de sous-produits ou de déchets, il est bien souvent nécessaire d’exploiter leur valeur en termes de macronutriments par conversion, en raison de limites physiques (forme et dimension) et biochimiques (disponibilité des macronutriments). Les BSFL ont été suggérées pour un recyclage efficace des biodéchets car leur action conduit à une réduction marquée du poids initial des déchets (jusqu'à 68 % de la masse sèche initiale32), à l'inhibition des agents pathogènes, tels que Salmonella33,34, à une réduction des émissions de GES35 et des émissions odorantes36 lorsqu'elles sont générées. par rapport aux procédures de compostage standard. De plus, les BSFL ont un taux de conversion alimentaire très efficace, conduisant à une biomasse précieuse riche en azote (30 à 50 % en poids) et en lipides (21 à 40 % en poids)37, dont la composition varie en fonction des déchets organiques utilisés. ou une stratégie de fermentation à travers des additifs spécifiques, tels que des floculants industriels, et des dispositifs, tels que la lumière artificielle38,39,40,41,42. Il en ressort que la fraction BSFL riche en azote, contenant principalement des protéines et de la chitine, pourrait représenter comme une source précieuse d’azote organique utile pour la croissance des cultures, puis pour la production d’engrais organiques bon marché et durables43. Cependant, la législation européenne actuelle impose certaines limites sur le type de substrats organiques à utiliser pour la bioconversion par BSFL, interdisant l'utilisation du fumier et de tout substrat formellement reconnu comme « déchet » comme aliment pour animaux44. En particulier, les résidus de fruits et légumes semblent être considérés comme des sous-produits conformément à l'article 184-bis du décret législatif italien 152 de 200645. En effet, ces résidus semblent posséder les caractéristiques nécessaires pour remplir les quatre conditions requises par la loi pour être qualifiés de sous-produits. un résidu comme sous-produit. Ces quatre conditions sont les suivantes: a) les résidus proviennent d'un processus de production dont ils font partie intégrante et dont la finalité première n'est pas la production de tels résidus; b) l'utilisation ultérieure de la substance ou de l'objet est certaine ; c) la substance ou l'objet peut être utilisé directement sans autre transformation autre que les pratiques industrielles normales; (d) une utilisation ultérieure est licite, c'est-à-dire que la substance ou l'objet satisfait à toutes les exigences pertinentes en matière de produit, d'environnement et de protection de la santé pour l'utilisation spécifique et n'entraînera pas d'impacts globaux négatifs sur l'environnement ou la santé humaine. Si le résidu remplit les quatre conditions, il peut donc être qualifié de sous-produit et peut être librement réutilisé sans autorisation et sans être soumis au régime de contrôle et de traçabilité des déchets. Par ailleurs, les résidus de fruits et légumes utilisés dans ces travaux semblent pouvoir relever de la définition d'« aliment pour animaux » (ou « aliments pour animaux ») du Règlement (CE) n° 178/2002 (Art. 3(4)) : «toute substance ou produit, y compris les additifs, transformés, partiellement transformés ou non transformés, destinés à être utilisés pour l'alimentation orale des animaux». Pour cette raison, ces résidus ne peuvent pas être constitués de « déchets urbains solides, tels que les déchets ménagers » en raison de l'interdiction expresse du règlement (CE) n° 767/2009, art. 6, Annexe III (n° 6), mais ils ne peuvent provenir que d'activités industrielles (PARLEMENT EUROPÉEN, 2009 ; PARLEMENT EUROPÉEN, 2002).