Soutenance mémoire
L’intérêt industriel des micro-algues
Le marché des micro-algues
Les micro-algues sont connues depuis des siècles pour leurs vertus nutritives (Costa et de Morais, 2011). Cependant elles ne sont cultivées et commercialisées que depuis quelques décennies. La recherche concernant leur potentielle application industrielle a commencé au début des années 1950. L’objectif premier était de trouver des sources alternatives de protéines face à l’accroissement de la population mondiale (Becker, 2007). Aujourd’hui, la production mondiale annuelle de micro-algues est estimée entre 10 000 et 20 000 t (Delattre et al., 2016). Les espèces les plus produites sont Arthrospira, Chlorella et Dunaliella salina. Elle sont essentiellement produites en Chine, aux Etats-Unis, au Japon, en Allemagne et en Inde (Spolaore et al., 2006). Les composés tels que les lipides, les vitamines, les polysaccharides, les protéines, les pigments et les antioxydants sont intéressants pour de nombreux secteurs tels que l’alimentation animale, l’agriculture ou la cosmétique.
Les verrous économiques et énergétiques
Pour les applications à grande échelle et à faible valeur ajoutée telles que l’industrie alimentaire ou l’énergie, une production de masse est nécessaire. En 2010, avec les technologies connues, un hectare de culture de micro-algues permettait de produire théoriquement entre 60 et 300 barils équivalents pétrole (Person, 2011). Or l’industrie pétrolière utilise le million de barils comme unité de base. Ainsi, pour le domaine de l’énergie, les technologies existantes pour la production de micro-algues ne permettent pas, à ce jour, de concurrencer les énergies fossiles.
La lumière est un paramètre clé pour la culture des micro-algues. L’utilisation de l’énergie solaire permet de diminuer les coûts énergétiques. Cependant, en culture solaire, de nombreux verrous existent au niveau de la production. Ils sont liés en particulier, aux coûts d’investissement élevés, aux coûts énergétiques importants pour le maintien d’une température optimale et à une utilisation non optimale de l’énergie lumineuse disponible.
Ainsi, une meilleure utilisation de l’énergie lumineuse permettrait de diminuer les coûts de production des micro-algues.
Intérêts de Chlorella vulgaris
Chlorella vulgaris est une micro-algue verte d’eau douce, de forme sphérique, décrite pour la première fois en 1890 par Beyerinck (Beyerinck, 1890). Cette espèce est utilisée comme modèle dans de nombreuses études (Kok, 1956; Malapascua et al., 2014; Serôdio et al., 2017). Elle est également produite à grande échelle en raison de ses vertus nutritionnelles. Par ailleurs, sa capacité à auto-fermenter son amidon en fait un bon candidat pour la production d’éthanol (Person, 2011). La production commerciale de C. vulgaris a débuté en 1961 par Nihon Chlorella Inc. (Richmond, 2008). En 2009, sa production a atteint 2000 t par an (Spolaore et al., 2006). Etant à la fois une micro-algue verte d’étude et une espèce cultivée industriellement, les recherches présentées dans ce manuscrit porteront exclusivement sur C. vulgaris.
Physiologie des micro-algues vertes
La cellule micro-algale
Au sens large, les micro-algues sont tous les microorganismes contenant de la chlorophylle a, ayant un thalle non différencié en racines, tiges et feuilles. Ainsi, dans la définition générale des micro-algues, se retrouvent les algues eucaryotes microscopiques et les bactéries photosynthétiques oxygéniques ou cyanobactéries, bien que ce soient des organismes procaryotes. Dans la suite du manuscrit, le terme micro-algues référera uniquement aux algues microscopiques eucaryotes (Tomaselli, 2007) . Cette espèce mesure 2 à 10 µm de diamètre. Comme toutes les micro-algues eucaryotes, elle possède un noyau délimité par une double membrane, contenant le génome de la cellule. Son cytoplasme est différencié en organites assurant chacun des fonctions spécifiques. Parmi eux nous pouvons citer les chloroplastes, formés de thylakoïdes et sièges de la photosynthèse, et les mitochondries, où se déroule la respiration. La reproduction de C. vulgaris est asexuée. Une cellule mère se divise en quatre cellules filles toutes les 24 h environ dans des conditions optimales (Safi et al., 2014).
Les réactions biochimiques se déroulant en présence de lumière
Les pigments
Tous les organismes photosynthétiques contiennent des pigments leur permettant d’absorber l’énergie lumineuse. Ces pigments photosynthétiques peuvent être divisés en trois catégories : les chlorophylles, les caroténoïdes et les phycobilines. Ces catégories de pigments n’absorbent pas la lumière aux mêmes longueurs d’onde .
Les micro-algues vertes contiennent majoritairement les chlorophylles a et b et des caroténoïdes (Tomaselli, 2007). La chlorophylle a est un composant majeur des centres réactionnels des photosystèmes et de leurs antennes collectrices de la lumière. La chlorophylle b est un des pigments accessoires qui permet d’élargir la surface et le spectre d’absorption. Parmi les caroténoïdes, certains sont photosynthétiques et d’autres sont photoprotecteurs. Les caroténoïdes photosynthétiques absorbent la lumière à des longueurs d’ondes comprises entre 400 et 550 nm et transfèrent l’énergie lumineuse à la chlorophylle a (Masojidek et al., 2013). C’est le cas par exemple du β-carotène. Les caroténoïdes photoprotecteurs, comme les xanthophylles, évitent la dégradation des cellules suite à des expositions à de fortes intensités lumineuses car ils ont la capacité de dissiper un excès d’énergie d’excitation sous forme de chaleur et de neutraliser les dérivés réactifs de l’oxygène (ROS).
La photoacclimatation
Lorsque les cellules sont exposées à une nouvelle intensité lumineuse pendant plusieurs heures, il y a une réorganisation des chloroplastes qui modifie la captation et l’utilisation de l’énergie lumineuse. Ce processus est appelé photoacclimatation et dure de quelques heures à plusieurs jours. Lors d’une exposition à une faible intensité lumineuse, les chloroplastes sont bien distribués et il y a une grande surface d’absorption. Par ailleurs dans ces conditions, le nombre de thylakoïdes, et donc la teneur en pigments photosynthétiques, sont élevés. Dans le cas contraire, lors d’une exposition à une forte intensité lumineuse, les chloroplastes sont condensés, la surface d’absorption résultante est plus petite et la teneur en pigments photosynthétiques est faible (Berner et al., 1989; Brunet et al., 2011; Dubinsky et Stambler, 2009; Falkowski et al., 1985). La photoacclimatation, lors d’une transition d’une faible à une forte intensité lumineuse est plus rapide que la photoacclimatation lors de la transition opposée (Prézelin et al., 1991). En effet, quand l’intensité lumineuse augmente, la diminution de la teneur en pigments est facilitée par la dilution due à la division cellulaire. Or lorsque l’intensité lumineuse diminue, pour que le contenu pigmentaire augmente, la vitesse de production des pigments doit être plus grande que la vitesse de division cellulaire. Comparés aux pigments photosynthétiques, les pigments photoprotecteurs montrent la relation inverse avec la lumière. Toutefois il a été rapporté que ces changements pigmentaires étaient moins importants dans des conditions dynamiques de lumière (Garcia-Mendoza et al., 2002).
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1. La culture solaire de micro-algues : problématiques et enjeux
L’intérêt industriel des micro-algues
1.1.1 Le marché des micro-algues
1.1.2 Les verrous économiques et énergétiques
1.1.3 Intérêts de Chlorella vulgaris
Physiologie des micro-algues vertes
1.2.1 La cellule micro-algale
1.2.2 Les réactions biochimiques se déroulant en présence de lumière
1.2.3 Les réactions biochimiques se déroulant à l’obscurité
1.2.4 Causes et conséquences des réactions biochimiques
Les systèmes de production des micro-algues
1.3.1 Les systèmes ouverts
1.3.2 Les systèmes clos ou photobioréacteurs
1.3.3 Exemple d’un photobioréacteur de laboratoire
Les paramètres influençant la culture des micro-algues
1.4.1 La lumière
Les variations de lumières externes au PBR
Les variations de lumières dues à l’hydrodynamique dans le PBR
Problématique des boucles sombres
1.4.2 Les nutriments
1.4.3 Le pH
1.4.4 La température
1.4.5 Le dioxygène dissous
Ingénierie des PBRs
1.5.1 Mode de fonctionnement des PBRs
1.5.2 Productivité des systèmes de culture
1.5.3 Modèle cinétique de croissance des micro-algues
Etude de la physiologie des micro-algues
1.6.1 Concentration en biomasse et teneurs en pigments
1.6.2 Bilan sur les gaz
1.6.3 La fluorescence in vivo de la chlorophylle a
Conclusions et objectifs de l’étude
Chapitre 2. Accélération transitoire du transport des électrons chez Chlorella vulgaris lors de variations de lumière
Photosynthetic electron transport transients in Chlorella vulgaris under fluctuating light
Introduction
2.1.1 Photo-bioreactors and light environments
2.1.2 Time dependencies in photosynthesis processes and mechanisms
2.1.3 σPSIIʹ and 1/τʹ determine achieved Photosystem II electron transport
2.1.4 Chlorella vulgaris as a model and industrial organism
Material and methods
2.2.1 Culture protocol
2.2.2 Light treatment and Fast Repetition Rate fluorescence measurement
2.2.3 Fluorescence parameters
2.2.4 Data analyses
Results and discussion
2.3.1 Electron transport rate light responses and hysteresis
2.3.2 Changes in YPSII driven by ?????′and 1/ τʹ explain hystereses in ETRPSII responses
2.3.3 PSII inactivation, repair and non-photochemical dissipation
Conclusions
Supplemental figures
Chapitre 3. Etude de la réponse photosynthétique de Chlorella vulgaris aux variations de lumière en photobioréacteur
Investigation of the photosynthetic response of Chlorella vulgaris to light changes in photobioreactors
Introduction
Material and methods
3.2.1 Pre-culture protocol
3.2.2 Cultures protocol
3.2.3 Analyses
3.2.4 Determination of the light attenuation conditions
3.2.5 Photoacclimation model
Results
3.3.1 Cultures in continuous light
3.3.2 Culture in dynamic light conditions
3.3.3 Comparison between model and experimental data for C. vulgaris
photoacclimation
Discussion
3.4.1 Use of MRPA to correlate biomass and pigment concentration evolutions
3.4.2 Sudden changes in MRPA induce a slow evolution of biomass and pigment
concentration
3.4.3 Different biological mechanisms involved between increasing and decreasing
PFD transitions
Conclusion
Chapitre 4. Intérêt de l’utilisation de la fluorescence de chlorophylle a de type PAM pour le suivi de cultures en photobioréacteurs solaires
Conclusion
