Cellulose is the most abundant and renewable biopolymer on earth. Generally, it is well known for its structure properties or its natural and industrial derivatives due to its biodegradability or easily controlled transformation. By contrast, non-biodegradable cellulose is relatively unusual and not intensively investigated. The discovery of well preserved Miocene fossil woods during a recent excavation from the Entre-Sambre-et- Meuse (ESEM) karsts (southern Belgium) gives a rare opportunity to investigate resistant cellulose. The wood specimens were examined using physicochemical and biochemical techniques in order to correlate the exceptional preservation of these fossilized remains after 15 million years to the non-biodegradability of their lignocellulose content. Structural and chemical changes were assessed by comparing the structural features of the fossil samples with those of their modern counterpart, Metasequoia. Solid state 13C nuclear magnetic resonance (NMR) and microscopic analysis showed good preservation of the cellulose structure in the fossil wood from the ESEM peat deposit. Moreover, there also appears to be a complete loss of hemicelluloses in the fossil wood structure maybe due to their branched structure and their lower molecular weight. According to several authors, the peatification, the initial biochemical stage of coalification, is characterized by a complete loss of hemicelluloses and a significant reduction in cellulose, which is completely degraded after a short span of geological time. However, the cellulose content, similar to that found in the living species Metasequoia, suggests that the ESEM fossil wood is at a very early stage of peatification. Compared to the lignin in modern Metasequoia, the lignin structure has undergone slight chemical alteration such as demethoxylation, cleavage of some b-O-4¢ linkages and alkylation of the resulting catechol-like structures. Furthermore, since uncondensed structures were degraded in the fossil woods, the condensed structures already present in the original lignin, became more dominant. Despite the substantial cellulose fraction available in the fossil tissue, degradation tests showed that the fossil cellulose could not be degraded by cellulases and microorganisms usually involved in the biodegradation of organic matter. This lack of bioavailability could be due to the structural features of the fossil biopolymers (cellulose, extractives and lignin) or the burial environment. In our work, we have analyzed the influence of the cristallinity, the size of crystallites, the type of crystal lattice and the ratio of two allomorphs I a/I b as well as the morphology of the cellulose microfibrilles on the cellulose digestibility. These cellulose structural features seemed to have no effect on cellulose biodegradability in the Miocene woods samples. On the other hand, the wood extractives (tannins, resin acids, terpenes,) may contribute to some resistance properties of the fossil cellulose but their action is not sufficient to explain the inhibition of the cellulose degradation. On the basis of our observations, we suggest that the presence of a modified lignin structure greatly influences cellulose biodegradability. Indeed, by altering the lignin structure with various delignification pretreatments and studying the effect of the resulting changes on enzymes efficiency, we showed that the disintegration of the condensed structures, linked to the drastic reduction of the uncondensed structures, could have significant impact on the major improvement of the cellulose bioavailability. In conclusion, the nature and/ or the proportion of intermolecular substructures could be the key of the cellulose protection.
La cellulose est le biopolymère le plus abondant et le plus renouvelable sur terre. Généralement, il est reconnu pour ses propriétés structurales ou ses dérivés naturels et industriels, eux-mêmes caractérisés par leur biodégradabilité ou leur mise en uvre facilement contrôlée. Par contraste, une cellulose non-biodégradable est relativement inhabituelle et peu étudiée. La découverte de bois fossiles du Miocène extrêmement bien préservés au cours dexploitations récentes de karsts de lEntre-Sambre-et-Meuse (ESEM, Belgique) offre une rare opportunité détudier une cellulose résistante. Les spécimens de bois ont été examinés à laide de techniques physicochimiques et biochimiques en vue de corréler la préservation exceptionnelle de ces macrofossiles après 15 millions dannées à la non-biodégradabilité de leur contenu cellulosique. Les modifications structurales et
chimiques ont été attribuées en comparant les caractéristiques des échantillons fossiles avec ceux de leur équivalent moderne, le Metasequoia. Les analyses microscopiques et par résonance magnétique nucléaire C13 de létat solide ont révélé une préservation importante de la structure cellulosique dans les bois fossiles des dépôts argilo-tourbeux de lESEM. De plus, la concentration en cellulose est proche de celle présente dans lespèce moderne, Metasequoia. Par contre, une perte complète des structures hémicellulosiques est constatée. Celle-ci pourrait être attribuée à leurs structures branchées et leurs faibles poids moléculaires. Ces observations suggèrent que les bois fossiles de lESEM se situent à un stade très précoce de la turbification. En effet, selon différents auteurs, la turbification, le stade biochimique initial de la coalification, est caractérisée par une perte complète des hémicelluloses et une réduction significative de la cellulose, qui est complètement dégradée après un très court intervalle de temps géologique. Par comparaison avec la lignine de lespèce moderne, la structure ligneuse fossile a subi de légères altérations chimiques telles que des déméthoxylations, le clivage de certains liens intermoléculaires (b-O-4¢ en majorité) et lalkylation des structures catéchols résultantes. En outre, les structures condensées déjà présentes dans la lignine dorigine, sont devenues plus dominantes par rapport aux structures non-condensées qui ont subi de fortes dégradations dans les bois fossiles. Malgré la fraction cellulosique substantiellement accessible dans les tissus fossiles végétaux, les tests de dégradation ont montré que la cellulose fossile ne pouvait être que faiblement dégradée par des cellulases et les microorganismes impliqués habituellement dans les processus de biodégradation de la matière organique. Ce manque de réactivité pourrait être lié aux caractéristiques structurales des biopolymères fossiles (cellulose, composés extractibles et lignine) ou à la matrice denfouissement. Limplication de celle-ci dans le processus de préservation de la cellulose a été écarté car les conditions environnementales présentes actuellement dans les karsts auraient du favoriser la biodégradabilité de ces bois. Au cours de nos recherches, nous avons analysé linfluence de la cristallinité, la taille des cristallites, le type de réseau cristallin et le rapport entre les allomorphes I a/I b ainsi que la morphologie des microfibrilles de cellulose sur la digestibilité de la cellulose. Ces paramètres structuraux associés à la cellulose ne semblent pas avoir deffet sur la biodégradabilité de la cellulose dans les échantillons de bois du Miocène. Dautre part, les composés extractibles (tannins, acides résiniques, terpènes,) peuvent contribuer à la capacité de résistance à la décomposition de la cellulose fossile mais leur action nest pas suffisante pour expliquer linhibition importante de la dégradation de la cellulose. Sur base de nos observations, nous suggérons que la présence dune structure ligneuse modifiée influence fortement la biodégradabilité de la cellulose. En effet, en altérant la structure ligneuse avec différents prétraitements de délignification et en étudiant limpact des transformations structurales sur lefficacité de la dégradation enzymatique, nous avons montré que la désagrégation des structures condensées, liée à la diminution drastique des structures non-condensées, pourrait avoir un impact significatif sur lamélioration majeure de la bioaccessibilité du substrat cellulosique. En conclusion, la nature et/ou la proportion des sous-unités intermoléculaires présentes dans la structure ligneuse pourrait être la clé de la protection exercée par la lignine.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:BICfB/oai:ETDULg:ULgetd-11242009-104631 |
| Date | 31 August 2009 |
| Creators | Lechien, Valérie |
| Contributors | Rulmont, A., Grandjean, J., Thonart, Ph., Dupuis, C., Gerrienne, Ph., Rodriguez, C. |
| Publisher | Universite de Liege |
| Source Sets | Bibliothèque interuniversitaire de la Communauté française de Belgique |
| Detected Language | French |
| Type | text |
| Format | application/pdf |
| Source | http://bictel.ulg.ac.be/ETD-db/collection/available/ULgetd-11242009-104631/ |
| Rights | unrestricted, Le contrat BICTEL/e complété et signé a été remis au gestionnaire facultaire. |
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