Microbiote ruminal et méthane

Agir sur le microbiote ruminal pour réduire la production de méthane par les bovins

L’action sur le microbiote ruminal pour réduire la production de méthane par les bovins, est-elle possible ? Le méthane produit par les fermentations entériques des ruminants représente au niveau mondial environ 44% des émissions de gaz à effet de serre imputables au secteur de l’élevage (14,5% des émissions totales de GES) et contribue donc au réchauffement climatique. Mais, la production de méthane à partir d’aliments consommés constitue aussi une perte d’énergie pour l’animal de l’ordre de 2 à 14%. Réduire l’émission de méthane présente donc également un effet positif pour l’efficience d’utilisation de la ration. Au-delà de la composition génétique, la modification de la nutrition a été largement étudiée en agissant sur le fonctionnement du rumen soit par modification de l’alimentation soit par action sur les microorganismes.

La digestion ruminale des aliments

Les ruminants possèdent trois réservoirs pré gastriques dont le plus important est le rumen. Le bon fonctionnement du rumen nécessite des conditions particulières : une température de 39°C, un pH voisin de 6 et une anaérobiose stricte. Il présente un volume moyen d’environ 150 litres, dont 90 litres de digestat réparti de façon non homogène dans le rumen en trois phases : liquide, solide et gazeuse. La phase liquide a pour origine : l’abreuvement (50 à 100L/jour), la salivation (80 à 200 L/j) et l’eau contenue dans les aliments. Un des principaux rôles de la salive est de maintenir le pH du rumen entre 6 et 6,4, grâce aux bicarbonates et phosphates qu’elle contient. L’objectif est le bon fonctionnement du microbiote ruminal.

Le microbiote ruminal au cœur de la digestion et de la production de méthane

La dégradation des composés cellulosiques

Les ruminants se nourrissent de matières vertes composées de lignine, cellulose et hémicellulose. Mais, ils n’arrivent pas à les digérer eux-mêmes. Car, ils ne produisent pas les enzymes nécessaires à leur dégradation. Ce sont donc les microorganismes, composant le microbiote ruminal, qui digèrent ces composés.

La dégradation des composés cellulosiques et de l’amidon contenus dans les fourrages et les concentrés produit des acides gras volatils. Ces derniers sont les nutriments énergétiques majeurs des ruminants. Les enzymes des bactéries, protozoaires et champignons en acides gras volatils réalisent cette dégradation. Elle s’accompagne alors d’une production nette d’hydrogène. Les Archaea méthanogènes utilisent alors cet hydrogène dans la réduction du dioxyde de carbone.

La biomasse microbienne

Ces Archaea ne constituent qu’une petite partie de la biomasse microbienne (1 à 4 %). Ils sont incapables d’utiliser la plupart des composés organiques et doivent donc être en étroite relation nutritionnelle avec les protozoaires et les bactéries du rumen. Les protozoaires peuvent représenter une proportion importante de la biomasse microbienne du rumen, lorsque le pH est compris entre 6 et 7. Ils sont importants notamment pour la digestion de rations riches en amidon mais ne sont pas indispensables. Les bactéries sont les plus nombreuses (jusqu’à 1011 cellules/ml de jus de rumen). Et, elles se classent en deux catégories :

  • les amylolytiques qui attaquent l’amidon,
  • les cellulolytiques qui dégradent les fibres.

Elles agissent par contact en adhérant fortement aux aliments . L’objectif est donc de concentrer l’action de leurs enzymes sur les parois végétales.

L’utilisation de H2 par les Archaea, et donc l’émission de méthane, empêche l’inhibition de la dégradation des fibres. 48 % du pool total d’H2 est utilisé par les Archaea : 33 % dans la synthèse d’acides gras volatils et 12 % dans la biomasse microbienne. Le rôle central d’H2 dans le métabolisme ruminal est au cœur des recherches de stratégies de réduction des émissions de méthane par les ruminants. La plupart des stratégies vise à modifier le microbiote ruminal par l’utilisation d’additifs et de biotechnologies, mais plus vraisemblablement par la modification de l’alimentation.

Additifs et biotechnologies

Les additifs sont de plusieurs natures : chimiques comme le nitrate de calcium, organiques comme le malate et le furamate ou encore issus de plantes (saponines, tanins, huiles
essentielles). Si de nombreux essais in vitro montrent des efficacités intéressantes. Les essais in vivo restent peu concluants, excepté pour le nitrate de calcium. Le nitrate se transforme en nitrite puis en ammoniac dans le rumen et pour cela, consomme de l’hydrogène. Les essais montrent une bonne efficacité. Mais des précautions sont à prendre. Il faut les employer uniquement avec des rations pauvres en azote fermentescible. Il est nécessaire également de bien gérer la supplémentation, pour éviter le phénomène de méthémoglobinémie. De fortes charges de nitrates alimentaires peuvent submerger la capacité des microorganismes à dégrader complètement le nitrate. De plus, le niveau de nitrite, toxique pour les bactéries cellulolytiques, peut augmenter et passer dans le sang.

Il y a différentes biotechnologies à l’étude. Mais là encore, les résultats des essais in vivo restent souvent contradictoires : distribution de probiotiques (levures,
bactéries propioniques), vaccination ou encore défaunation (suppression des protozoaires).

Jouer sur la composition de la ration

Les fourrages

Entre les différents types de fourrages à base d’herbe (herbe fraîche, ensilage, foin), les émissions de CH4 par kg de MS ingérée varient assez peu. Pour une valeur nutritive équivalente de la ration, les émissions, exprimées en kg de matière organique digestible, sont comparables entre l’herbe verte, l’ensilage et le foin. Ce constat est vrai, quel que soit le stade de développement. L’ensilage de maïs entraîne généralement des émissions légèrement plus faibles en raison d’une teneur en amidon plus élevée. Certains fourrages pourraient contribuer à réduire la production de méthane. S’il a été montré récemment que le trèfle blanc et le trèfle violet ne permettaient pas de réduire l’émission de méthane, des plantes riches en tanins comme le sainfoin réduisent ces émissions.

Les concentrés

L’augmentation du pourcentage de concentrés dans la ration entraîne une diminution de la production de méthane en grande partie liée à l’augmentation de la part de propionate dans le mélange d’acides gras volatils. La nature de l’aliment concentré influence l’orientation des fermentations ruminales mais aussi la diversité des Archaea méthanogènes. Les réductions observées peuvent être ainsi dues à une moindre disponibilité de l’hydrogène et/ou une communauté méthanogène métaboliquement moins active.

Les lipides

La solution actuelle est le remplacement d’une partie des glucides de la ration par des lipides. Il s’agit de la solution reconnue comme la plus efficace par la communauté scientifique. En effet, les glucides produisent de l’hydrogène, précurseur du méthane. Alors que, les lipides, non fermentés dans le rumen, n’en produisent pas. Une seconde raison est que les lipides ont une action négative sur les protozoaires. Le lin, contenant des acides gras polyinsaturés, a un effet marqué pour réduire le méthane. Il a une action spécifique sur les microbes du rumen. Cet effet se maintient à long terme au moins sur une lactation.

La production de méthane : voie métabolique essentielle

La réduction de méthane, chez les vaches laitières, peut atteindre 50 %, pour des teneurs de 7 % d’acides gras du lin de la ration. Elle peut atteindre de 10 à 15 % pour une teneur de 4 % d’acide gras du lin. Mais; elle ne dépasse guère 5 % pour une teneur de 2 % d’acides gras du lin. La forme de présentation recommandée est la graine extrudée. Car, l’extrusion permet une utilisation plus facile et une meilleure durée de conservation que sous forme d’huile ou broyée. Il y a d’autres sources lipidiques étudiées : l’huile de tournesol ou l’huile de colza. Elles contiennent peu de lipides (12 %). Mais, elles peuvent être incorporées dans la ration en quantité élevée. Il reste, toutefois, à vérifier l’absence d’effets collatéraux négatifs sur les performances de l’animal, ou sur d’autres impacts environnementaux, d’un taux d’incorporation trop élevé dans la ration.

La production de méthane est une voie métabolique essentielle assurant la continuité des fermentations ruminales. Les variations dans la production de CH4 observées suite à des modifications de l’écosystème microbien ou d’un des constituants de la ration s’expliquent par des changements de diversité et/ou d’activité des Archaea en raison d’une moindre disponibilité en H2. La diversité des méthanogènes du rumen reste encore mal connue.

Bien qu’a priori très peu de genres soient présents dans le rumen, cette communauté se caractérise par un fort potentiel d’adaptation. Comme dans tout écosystème, les actions
ciblant spécifiquement ces Archaea entrainent des réponses des autres populations de microorganismes. La recherche de stratégies de réduction des émissions du méthane
nécessite donc de considérer le microbiote ruminal dans son ensemble.

Source :

Doreau M. et al, 2017. Réduire les émissions de méthane entérique par l’alimentation des ruminants. Revue Viandes & Produits Carnés

POPOVA M. et al, 2011. Production de méthane et interactions microbiennes dans le rumen. INRA Prod Anim 24 (5), 447-460.

PRASANTA K. et al, 2015. Rume microbiology : an overview. Rumen microbiology : from evolution to revolution. Springer Editions.

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