Le transport et l’accumulation de CO2 dans la cellule : les différents Mécanismes de Concentration de CO2 chez les Chlorophytes

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Présentation du modèle d’étude

Présentation structurale de Chlorella vulgaris

Chlorella vulgaris (Beijerinck, 1890) appartient à la lignée des Chlorophytes. Le genre Chlorella se retrouve dans tous les habitats aquatiques, marins ou d’eau douce.
C. vulgaris est une algue verte unicellulaire eucaryote d’eau douce (Figure I.2). Elle est de forme ronde ou ellipsoïde, d’un diamètre moyen de 5 µm. Elle possède un chloroplaste pariétal contenant de la chlorophylle a et b ainsi que des caroténoïdes comme pigments accessoires, un pyrénoïde, des thylakoïdes, des grains d’amidons et du matériel génétique (Figure I.3). L’amidon est la réserve majeure de glucides de la cellule. D’autres organites sont également présents dans la cellule : un noyau, desmitochondries, de petites vacuoles, des gouttelettes lipidiques, des ribosomes (Van Den Hoek et al., 1995). La membrane cellulaire externe est composée de trois membranes contenant de la glucosamine (Takeda, 1993 ; Allard et al., 2000).
La Figure I.4 présente la structure d’une cellule de Chlamydomonas. Chlamydomonas est une algue appartenant à la même ligné queChlorella vulgaris. Son organisation intracellulaire est identique à celle de C. vulgaris à l’exception des flagelles absent dans notre modè le d’étude.

La photosynthèse

Près de la moitié de l’activité photosynthétique surTerre est réalisée par des organismes aquatiques qui ne représentent pourtant que 1 % dela biomasse totale. Ces micro-organismes, les microalgues, constituent le phytoplancton et sont à l’origine de 90 % de la production primaire aquatique (Falkowski et Raven, 2007).
La photosynthèse est le processus par lequel les microalgues transforment l’énergie lumineuse en énergie chimique et fixent le carbone inorganique dissous (CID). Il en résulte la synthèse de matière organique et la production d’oxygène. Ainsi l’activité photosynthétique est la fixation du CO2 et la production d’O 2 via les mécanismes de la photosynthèse.
Elle se compose de deux phases indépendantes chimiquement et physiquement, mais liées par des intermédiaires communs et des régulations enzymatiques.

Réaction photochimique

C’est au sein de la membrane des thylakoïdes que se trouve l’appareil photosynthétique. Il est composé de pigments photosynthétiques associés à des photosystèmes I et II (PSI et PSII), d’accepteurs et de donneurs d’électrons. Le PSI et PSII sont aussi appelés respectivement PS 700 et PS 680. Les photosystèmes sont des complexes au sein desquels sont associées des protéines et des pigments. Le PSII comporte trois domaines : une antenne, un centre réactionnel et un complexe d’oxydation de l’eau. Et le PSI comporte une antenne et un centre réactionnel.
Les pigments photosynthétiques sont la chlorophylle a, b, c et d en fonction des espèces d’algues. Les chlorophytes ne contiennent que des chlorophylles a et b. La chlorophylle a est un pigment actif car elle capte et convertit l’énergie lumineuse en énergie chimique. Alors que la chlorophylle b est un pigment surnuméraire car elle ne fait que transmettre les photons à la chlorophylle a. Il existe d’autre type de pigments surnuméraires chez les algues vertes, appelés caroténoïdes qui en plus de capter la lumière sont impliqués dans la dissipation de l’excès d’énergie lié à un excès de lumière (Jeffrey et Wright, 2006).
Une fois que l’énergie lumineuse a atteint la chlorophylle a des centres réactionnels des photosystèmes, celle-ci passe à un état excité et xpulse alors un électron. A partir de là va se dérouler le transport des électrons au travers de ifférentsd accepteurs de l’appareil photosynthétique jusqu’à un accepteur final permettant la production de pouvoir réducteur NADPH. En parallèle la réaction de photosynthèse permet aussi la synthèse d’ATP.
Il existe deux types de transport des électrons: cyclique et non cyclique.
Au sein du photosystème II, l’antenne collectrice de photon se compose de chlorophylle a et b, de caroténoïdes et de protéines. Elle capte lesphotons et les amènent jusqu’au centre réactionnel, qui contient une paire de molécule dechlorophylle a dont la longueur d’onde du pic d’absorption est 680 nm. Lorsque la molécule de chlorophylle a est excitée un électron est libéré. Cet électron est transporté dans un premiertemps jusqu’à des plastoquinones. Elles le cèdent par la suite à un complexe appelé cytochromeb6_f qui le transfère à une plastocyanine. Enfin, celle-ci cède l’électron au PSI.
En parallèle de cette réaction à lieu la scission d’une molécule d’eau, catalysée par le complexe d’oxydation de l’eau (OEC), lié au PSII : 2 → +40 +4 (I.12)
Cette réaction permet la libération d’électron etedprotons et la production d’oxygène.
Les électrons formés par l’oxydation de l’eau, vontremplacer les électrons perdus au sein du PSII. L’antenne collectrice du PSI se compose de chlorophylle a et b, ainsi que de caroténoïdes. Elle transmet au centre réactionnel les photons. Le centre réactionnel contient une paire de molécule de chlorophylle a dont la longueur d’onde du pic d’absorption est 700 nm. L’électron libéré au sein du centre réactionnel esttransporté jusqu’à la ferrédoxine. La ferrédoxine va donner cet électron à la ferrédoxineNADP-oxydoréductase. Il va alors y avoir la réduction de NADP en Nicotinamide adénosine diphosphate (NADPH), aussi appelé pouvoir réducteur. Ce pouvoir réducteur joue un rôle important dans de nombreuses réactions métaboliques.
L’électron perdu au sein du PSI va être remplacé par l’électron précédemment expulsés par le PSII.
La Figure I.5. représente le transport acyclique des électrons au sein de la membrane des thylakoïdes. Lorsque les photons atteignent les molécules de chlorophylles au sein des PS 680 (PSII) et PS 700 (PSI), celles-ci passent d’un état stable à un état excité (flèches rouges) et libèrent des électrons qui vont permettre la synthèse d’ATP et NADPH.
Le transport des électrons via la réaction de photosynthèse, libère de l’énergie qui va permettre la synthèse d’adénosine-tri-phosphate (ATP) au niveau du complexe ATP synthase associé à la membrane des thylakoïdes. Le transport des électrons génère une force proton-motrice au travers du complexe de l’ATP synthase qui permet le fonctionnement de l’enzyme et donc la synthèse d’ATP à partir d’adénosine di-phosphate (ADP) et de phosphate inorganique (Pi). L’ATP est une molécule à haut pouvoir énergétique se retrouvant dans tous les organismes. Elle fournit de l’énergie pour la croissance cellulaire mais également pour la maintenance des processus physiologiques des organismes (Yang et al., 2000).
Lors de cette phase de la photosynthèse, on a donc formation d’ATP et de NADPH. Ces deux molécules rentreront en jeux lors de la fixation duCO2.

Transport cyclique des électrons

Lors du transport cyclique des électrons, il n’y a pas synthèse de NADPH mais uniquement d’ATP. Les électrons expulsés par le PSI ne sont pas dirigés vers la production de NADPH mais utilisés pour augmenter la force proton motrice quipermet la synthèse d’ATP (Figure I.6). La 15 cellule n’ayant pas les mêmes besoins en ATP et en NADPH, ce mécanisme lui permet d’adapter la synthèse de ces composés en fonction de ses besoins physiologiques (Turpin, 1991).
Figure I.6. Schéma du transport cyclique des électrons. P680 :photosystème II, PQ : plastoquinone,
PC : plastocyanine, Cyt b6_f : cytochrome b6_f , PS700 : photosystème I, Fd : ferrédoxine.
La Figure I.7 montre le transfert des électrons et des protons au sein de la membrane des thylakoïdes lors de la réaction photochimique de la photosynthèse. Lorsque les électrons arrivent au niveau de la ferrédoxine, celle-ci lesdistribue soit :
– Au NADP+. Le transport est alors dit acyclique et s’accompagne d’une dissociation de l’eau et de la synthèse de NADPH et d’ATP
– Au cytochrome b6_f qui les transferts à nouveau aux plastoquinone. Le transport est alors cyclique et l’ATP est la seule molécule synthétisée.
Les 5/6 du glycéraldéhyde 3-phosphate vont être utilisés pour fournir le cycle en Ribulose-1,5-biphosphate et le 1/6 restant est exporté dans le cytoplasme de la cellule pour servir à la synthèse de molécules organique (Figure I.8). Ces molécules organiques sont essentiellement des glucides et en faible proportion des acides organiques et acides aminés. Ces différentes molécules seront utilisées par la cellule pour la ynthèse de nouveaux composés ou comme réserves (Falkowski et Raven, 2007).
La fixation du CO2 ne nécessite pas directement de lumière pour avoirlieu, c’est pourquoi elle est aussi appelé réaction sombre. Cependant depar sa dépendance énergétique aux produits de la photosynthèse, elle reste intimement liée à celle-ci.
Bien que 95% du carbone organique des microalgues soit fixé par la Rubisco, il existe une autre voie de fixation du carbone appeléeβ-carboxylation (Raven et Beardall, 2003).

β-carboxylation

La β-carboxylation est un ensemble de réactions qui fixent le carbone inorganique, indépendamment de la lumière. Elles sont appeléesβ -carboxylation car le β-carbone d’un composé en C3 est carboxylé lors de la réaction.
Elles permettent de recharger les cycles métaboliques en intermédiaires essentiels à la croissance cellulaire, qui ne sont pas produits par le Cycle de Calvin (acides aminés essentiels, lipides, purines, pyrimidine et tetrapyrroles) (Yang et al., 2000).. Bien que ces réactions soient indépendantes de la lumière, le uxta de synthèse de ces métabolites est plus important à la lumière (Falkowski et Raven, 2007).

La respiration

En ne considérant que le cycle du carbone, Raven etBeardall (2003) définissent la respiration comme étant l’ensemble des réactions qui consommentde l’O 2 et rejettent du CO2 de façon indépendante de la lumière. A partir de cette défition, Falkowski et Raven (2007) se focalisent sur quatre mécanismes de respiration qui oxydent des composés carbonés afin de fournir des substrats à la croissance cellulaire. C es mécanismes sont la glycolyse, le cycle de Krebs, la voie des pentoses phosphates et la respiration mitochondriale.
– La glycolyse est l’oxydation du glucose, formé lors de la photosynthèse, en pyruvate. Chez les algues vertes eucaryotes, elle se déroule dans le cytoplasme et le stroma des chloroplastes.
– Le cycle de Krebs se déroule au sein de la matrice mitochondriale. Le pyruvate produit par la glycolyse est oxydé en CO. Les intermédiaires du cycle de Krebs seront utilisés comme substrat pour la synthèse dedifférents composés essentiels à la cellule comme des bases azotées, des acides aminés et des lipides.
– La voie des pentoses phosphates concerne la transformation du glucose en NADPH et pentoses phosphates. Le rôle majeur de ce mécanisme est la production du pouvoir réducteur NADPH qui est essentiel pour la synthèse des lipides et la réduction du NO- qui a lieu à l’obscurité (Falkowski et Raven, 2007 ; Turpin, 1991). Chez les Chlorophytes, la voie des pentoses-phosphates a lieu dans le cytosol et les chloroplastes.
– La respiration mitochondriale est le dernier mécanisme de respiration. Elle est localisée dans la membrane interne des mitochondries. L’oxydation du NADH produit lors du cycle de Krebs est oxydé par les NADPH déshydrogénases. Cette réaction est couplée à une chaine de transport desélectrons qui permet la formation d’un gradient de H +. Celui-ci fourni l’énergie nécessaire à la synthèse d’ATP. Ce mécanisme produit une grande quantité d’ATP nécessaire au bon fonctionnement de la cellule, notamment l’assimilation de l’azote pour la synthèse de protéines (Turpin, 1991). Yang et ses collaborateurs (2000), à partir de l’étude des flux métaboliques chez Chlorella pyrenoidosa, ont démontré que la respiration mitochondriale produisait 40% de l’ATP de la cellule.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Etude bibliographique
I.A Le système carboné
I.B Présentation du modèle d’étude
I.B1 Présentation structurale de Chlorella vulgaris
I.B.2 La photosynthèse
a. Réaction photochimique
Transport non cyclique des électrons
Transport cyclique des électrons
b. Fixation du CO2 : le cycle de Calvin
I.B.3 β-carboxylation
I.B.4 Photorespiration
I.B.5 La respiration
I.B.6 Le transport et l’accumulation de CO2 dans la cellule : les différents Mécanismes de
Concentration de CO2 chez les Chlorophytes
I.B.7 L’utilisation du genre Chlorella dans l’industrie
I.C La culture en photobioréacteur : le cas de la colonne à bulle
I.C.1 Le transfert gaz-liquide dans un réacteur colonne à bulle : le modèle de la couche limite
I.C.2 La croissance cellulaire dans le réacteur
a. La culture en batch
b. La culture en continu
c. Les modèles microalgaux
I.D L’impact des paramètres de culture
I.D.1 L’impact des paramètres de culture sur le transport et l’accumulation du carbone inorganique et les Mécanismes de Concentration de CO2
a. Le CO2
b. La lumière
c. Les nutriments
d. La température
e. Le pH
I.D.2 L’impact des paramètres de culture sur la culture de microalgues
a. Le gaz
b. La lumière
c. L’azote
d. Le phosphore
e. Les microéléments
f. La température
g. Le pH
Chapitre II : Matériel et Méthodes
II.A. Culture de Chlorella vulgaris
II.A.1 Le photobioréacteur
II.A.2 Cultures batch
II.A.3 Cultures continue
II.A.4 Milieu de culture
II.A.5 Inoculum
II.B. Analyses
II.B.1. Comptage cellulaire
II.B.2. Analyse élémentaire de la composition de Chlorella vulgaris
II.B.3. Carbone organique dissous
II.B.4. Chlorophylle a
II.B.5. Exopolysaccharides
II.B.6. Matière sèche
Chapitre III : Etude de l’influence de la concentration de CO2 et de l’intensité lumineuse sur la croissance de Chlorella vulgaris en photobioréacteur batch
III.A. Etude du transfert gaz-liquide dans le photobioréacteur
III.A.1 Vérification du modèle parfaitement agité par la méthode des traceurs
III.A.2 Principe de détermination du coefficient volumique de transfert de CO2 (kLa)
III.A.3 Détermination expérimentale du coefficient volumique de transfert de CO2 (kLa)
a. Principe de la mesure
b. Résultats expérimentaux
III.B. CO2 biofixation by Chlorella vulgaris at different CO2 concentrations and light intensities (Article Scientifique)
III.C. Modélisation de la croissance de Chlorella vulgaris
III.C.1. Présentation du modèle
III.C.2. Identification des paramètres du modèle
III.C.3. Validation du modèle de croissance
III.D. Conclusion
Chapitre IV : Etude de l’influence du taux de dilution et de la concentration en nitrate sur la croissance et la fixation de CO2 de Chlorella vulgaris en photobioréacteur continu
IV.A. Matériel et méthodes
IV.A.1. Conditions expérimentales
IV.A.2. Analyses
IV.A.3. Calcul de la productivité et de la biofixation de Chlorella vulgaris lors de la culture en continu
IV.A.4. Bilans carbones dans la phase gazeuse et dans la phase liquide
IV.A.5. Bilan carbone dans le réacteur à l’état stationnaire
IV.A.6. Traitements statistiques
IV.B. Résultats
IV.B.1. Effet des différentes conditions de culture sur la concentration cellulaire de Chlorella vulgaris
IV.B.2. Effet du taux de dilution sur la biomasse et le rendement de fixation du CO2
IV.B.3. Effet de la concentration en nitrate sur la biomasse et le rendement de fixation du CO2
IV.B.4. Bilan carbone dans le réacteur à l’état stationnaire
IV.B.5. Description du modèle
IV.C. Discussion
IV.D. Conclusion
Chapitre V : Perspectives de développement industriel
V.A. Hypothèses et procédure de dimensionnement
V.A.1. Hypothèse et paramètres de cultures fixés
V.A.2. Procédure de dimensionnement
a. Un seul réacteur parfaitement agité
b. Réacteur multi-étagé
c. Réacteur piston
V.B. Résultats
V.B.1 Volume de gaz à traiter de 0.14 mol.h-1 (conditions de culture en laboratoire)
V.B.2 Volume de gaz à traiter 1000 mol.s-1 (condition de culture à l’échelle industrielle)
V.C. Discussion
V.D. Conclusion
Conclusions et Perspectives
Références bibliographiques
Annexes
Annexe I : Milieu Bristol N modifié
Annexe II : Protocole d’analyses
Annexe.II.1. Principe de la méthode de mesure de la concentration cellulaire au granulomètre laser
Annexe.II.2. Analyse de la fraction en azote et en quota intracellulaire chez Chlorella vulgaris
Annexe.II.3. Analyse du carbone organique dissous (DOC)
Annexe.II.4. Protocole d’extraction et de quantification de la chlorophylle a
Annexe.II.5. Quantification des exopolysaccharides solubles (EPS solubles)

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