Soutenance mémoire
Réactions biochimiques des microalgues en présence de lumière
En présence de lumière, les microalgues induisent plusieurs réactions biochimiques dépendantes de différents facteurs : la lumière elle-même, les nutriments, la température, le pH et les concentrations d’O2 et de carbone dissous.
La photosynthèse
La photosynthèse est un processus unique de conversion de l’énergie solaire dans lequel les composés inorganiques et l’énergie lumineuse sont convertis en matière organique par des organismes photoautotrophes. Pratiquement toutes les formes de vie sur Terre dépendent directement ou indirectement de la photosynthèse comme source de matière organique et d’énergie pour leur métabolisme et leur croissance (Richmond and Hu, 2013).
Une compréhension de la photosynthèse est fondamentale pour l’étude de la croissance des microalgues et des cyanobactéries. Le processus de la photosynthèse peut être exprimé comme une réaction d’oxydoréduction entraînée par la lumière dans laquelle le carbone inorganique (le dioxyde de carbone CO2 ou autre forme de carbone inorganique dissous, ou CID) est converti en hydrates de carbone (CH2O)n et l’oxygène (O2) est libéré en tant que produit secondaire. La photosynthèse est ainsi représentée globalement par l’équation suivante :
??2 + ?2? + ℎ? → ?2 + ??2? (I.1)
Le processus de photosynthèse a lieu au sein du chloroplaste dont la membrane interne est organisée en petits sacs appelés thylakoïdes. Dans les membranes des thylakoïdes se trouvent les pigments photosynthétiques qui captent la lumière nécessaire pour la photosynthèse (Richmond and Hu, 2013). La photosynthèse est divisée en deux étapes :
1) Les réactions lumineuses dites photochimiques (phase claire) : l’énergie lumineuse captée par les pigments photosynthétiques est convertie en énergie chimique, fournissant un réducteur biochimique « le NADPH,H+ » et un composé hautement énergétique « l’ATP ».
2) Les réactions sombres dites chimiques (phase sombre ou cycle de Calvin) : le NADPH,H+ et l’ATP sont utilisés dans la réduction biochimique séquentielle du CO2 en CH2O (Richmond and Hu, 2013).
Les réactions photochimiques se font dans les membranes des thylakoïdes alors que celles chimiques ont lieu dans le stroma (extérieur du thylakoïde) (Richmond and Hu, 2013).
Les réactions photosynthétiques
Réactions photochimiques – Phase claire
Les activités photosynthétiques des microalgues et des cyanobactéries dépendent en partie de leur aptitude à capter les photons, grâce à leurs antennes pigmentaires pour permettre un transfert d’électrons par une série de réactions d’oxydoréduction à travers la chaîne photosynthétique. Cette activité est capable d’induire une différence de potentiel électrochimique suffisante pour permettre la phosphorylation de l’ADP en ATP. De son côté, le proton H+ est utilisé pour la réduction d’une molécule NADP+ en NADPH,H+ . L’ATP et le NADPH,H+ ainsi générés permettent de stocker provisoirement, sous forme chimique, l’énergie photonique captée et utilisée finalement pour la fixation du CO2 (Cycle de Calvin) (Richmond and Hu, 2013).
Le processus mis en jeu au niveau de la chaîne photosynthétique est également nommé le schéma en Z de la photosynthèse .
Les membranes thylakoïdales contiennent cinq complexes majeurs dont chacun présente un rôle bien défini dans la photosynthèse : 2 photosystèmes PS (PSII et PSI), des antennes collectrices de lumière, un complexe de 2 cytochromes « b6/f» et une ATP synthase. Ces divers complexes formant la chaîne de transport d’électrons, représentée dans la Figure 3 (Richmond and Hu, 2013).
Les photosystèmes
L’élément de base de la photosynthèse est le photosystème qui permet l’assimilation de l’énergie lumineuse et son utilisation pour le fonctionnement de la chaîne photosynthétique. Un photosystème est constitué de deux parties : l’antenne collectrice formée des pigments accessoires, et le centre réactionnel contenant les pigments actifs (chlorophylle a). Il existe deux types de photosystèmes qui fonctionnent en série : le PSI et le PSII :
– Le PSII ou P680 est un complexe multimérique situé dans la membrane thylakoïdale et contient le centre réactionnel de la photosynthèse et l’antenne collectrice qui capte l’énergie lumineuse et la transfère au PSI par la chaîne de transport des électrons (Umena et al., 2011).
– Le PSI ou P700 est un complexe intermembranaire constitué de plusieurs sous-unités composées de 10 protéines et 100 chlorophylles (Amunts et al., 2010).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Revue bibliographique
Résumé
I.1. Culture des microalgues
I.1.1. Généralités sur les microalgues
I.1.2. Structure microalgale
I.1.3. Réactions biochimiques des microalgues en présence de lumière
I.1.4. Réactions biochimiques des microalgues en absence de lumière
I.1.5. Pigments photosynthétiques
I.1.6. Systèmes et modes de culture des microalgues
I.1.7. Valorisation des microalgues et cyanobactéries
I.1.8. Besoins des microalgues – Paramètres influençant la croissance des microorganismes photosynthétiques en PBR
I.1.9. Modélisation du transfert radiatif en PBR
I.1.10. Caractérisation de la quantité de lumière absorbée par les microalgues
I.1.11. Facteurs d’ingénierie favorisant la productivité du PBR
I.2. Haematococcus pluvialis et synthèse d’astaxanthine
I.2.1. Présentation d’Haematococcus pluvialis
I.2.2. Caroténoïdes : structure et fonctions
I.2.3. Astaxanthine : structure et fonctions
I.2.4. Culture d’H. pluvialis pour la production d’astaxanthine
I.2.5. Marché actuel et applications de l’astaxanthine d’H. pluvialis
Chapitre II : Détermination des productivités maximales expérimentale et théorique pour la microalgue verte Haematococcus pluvialis
Résumé
Abstract
II.1. Introduction
II.2. Theoretical considerations
II.2.1. General relations for biomass productivity
II.2.2. Proposal of developments
II.2.3. Optimal biomass concentration determination
II.3. Materials and methods
II.3.1. Algal strain and culture medium
II.3.2. Cultivation method
II.3.3. Analytical methods
II.4. Results and discussion
II.4.1. Biomass productivity and pigment content as a function of dilution rate
II.4.2. Determination of half saturation constant for photosynthesis K
II.4.3. Extension to the case of volumetric productivity
II.4.4. Optimal biomass concentration and ?? determination
II.5. Conclusion
Chapitre III : Influence du taux d’absorption de la lumière sur la production d’astaxanthine par la microalgue Haematococcus pluvialis pendant une carence azotée
Résumé
Abstract
III.1. Introduction
III.2. Theoretical considerations
III.2.1. Light transfer modeling
III.3. Materials and methods
III.3.1. Strain and culture medium
III.3.2. Cultivation method
III.3.3. Analytical methods
III.4. Results and discussion
III.4.1. Effect on biomass growth
III.4.2. Effect on astaxanthin accumulation
III.4.3. Radiation characteristics of H. pluvialis
III.4.4. Astaxanthin productivity
III.4.5. Astaxanthin accumulation
III.5. Conclusion
Chapitre IV : Optimisation de la production d’astaxanthine en continu par Haematococcus pluvialis dans un photobioréacteur limité en azote
Résumé
Abstract
IV.1. Introduction
IV.2. Materials and methods
IV.2.1. Strain and culture medium
IV.2.2. Cultivation method
IV.2.3. Analytical methods
IV.3. Results and discussion
IV.3.1. Biomass and chlorophyll concentrations
IV.3.2. Astaxanthin concentration and productivity
IV.3.3. Radiation characteristics of H. pluvialis
IV.4. Conclusion
Conclusion générale
