Biomasse algale et biotechnologies : exploration et applications

Introduction
Apparues il y a 3,5 milliards d'années, les algues sont des actrices majeures au sein du
climat mondial. Elles sont caractérisées comme une machine à transformer du CO2 en
matière organique en présence de lumière: elles créent ainsi la fameuse biomasse algale.
En effet, les algues constituent le premier maillon de la chaîne alimentaire et participent à
90% de la production en dioxygène atmosphérique. Ces organismes présentent de
nombreux attraits notamment une croissance rapide basée sur des éléments nutritifs
simples. Ce qui leur permet de concurrencer les plantes terrestres en obtenant un
rendement nettement supérieur tout en consommant l’eau de façon économique. De plus,
les algues ont développé un mode de vie très résistant aux milieux extrêmes, ce qui leur à
permis de coloniser tout la surface du Globe.
Ancrées depuis très longtemps dans certaines civilisations asiatiques, et depuis peu en
Occident. Actuellement, l’exploitation des algues et ses utilisations sont en progression
exponentielle dans le monde entier afin de répondre aux objectifs imposés par le Sommet
du développement durable pour 2030.
C’est pour cela que le secteur algal séduit de plus en plus les biotechnologies, par leurs
capacités à produire des métabolites qui sont l’essence même des nombreuses applications
permises par les biotechnologies.
De ce fait, comment la biomasse algale permet-elle l’exploration des biotechnologies ?
Nous tenterons de répondre à cette problématique en nous intéressant dans un premier
temps aux algues et à leur physiologie puis nous verrons comment elles sont produites.
Enfin nous nous pencherons sur des domaines d'application de la biomasse algale, dans la
pharmacie et la cosmétique, puis nous finirons sur le potentiel des algues.
1- Les Algues en général
L'étude des algues se nomme la Phycologie. Les algues sont définies comme des
thallophytes chlorophylliens. Les algues sont à l’origine du règne végétal mais ont la
spécificité de ne posséder aucune feuilles, racine et système vasculaire. Principalement
eucaryotes à l’exception des cyanobactérie procaryotes, ces organismes sont capables de
se développer dans diverses biotopes et préférentiellement en milieux aquatiques.
La classification des algues est complexe et fait appel à de nombreux critères,
morphologiques et métaboliques, et reste en devenir du fait notamment des progrès de la
génomique. Les algues constituent ainsi un vaste assemblage artificiel d'organismes
phylogénétiquement éloignés ce qui aboutit à une incroyable diversité, de par leur taille, leur
milieu de vie, leur mode de reproduction , leur composition intracellulaire, leurs interactions
avec d'autres organismes vivants.
La première classification se base sur la taille, on distingue:
Les Micro Algues appelées aussi phytoplancton, regroupent les espèces monocellulaires
vivant non fixées et en suspension dans un milieu aquatique.
Les MacroAlgues aussi nommé phytobenthos, est un terme générique caractérisant tous les
organismes aquatiques multi et unicellulaires mais qui ne prend pas en compte les plantes
terrestres. Ce sont des espèces fixées au fond de l’eau par un thalle.
Les algues sont aussi différenciées par leur couleur, dû à la présence de nombreux
pigments qui vont masquer plus ou moins la chlorophylle.
On distingue 3 grandes lignées :

Les Algues vertes ou Chlorophycées: ces algues se situent dans les 5 premiers mètres de
profondeur, là où elles peuvent encore percevoir la lumière rouge. Elles possèdent de
nombreux pigments comme les chlorophylles a et b qui leurs donnent une couleur verte,
mais aussi du carotène et des xanthophylles.
Les Algues brunes ou Chromophycées: généralement marines, elles se situent là où elles
peuvent percevoir la lumière du côté rouge et du bleu. Riches en réserves cytoplasmiques et
vacuolaires. Elles possèdent de nombreux pigments comme les chlorophylles a et c, mais
aussi de la fucoxanthine qui confère la couleur brune. Cette richesse fait de cette catégorie,
celle la plus cultivée car elle permet d’exploiter un plus large spectre d’absorption et elle
occupe une plus large partie de l’estran.
Les Algues rouges ou Rhodophycées: ces algues possèdent de la chlorophylle a, de la
phycoérythrine qui donne cette couleur rouge, mais aussi de la phycocyanine qui confère cet
aspect bleu. Ces espèces vivent au-delà de 5 mètres de profondeur grâce à la
phycoérythrine qui leur permet de percevoir la lumière bleue qui continue d'être diffusée en
profondeur.
2- Les Microalgues
2.1- Description
Les Micro-algues sont exclusivement aquatiques et à croissance rapide. Elles exercent
uniquement le processus de photosynthèse ce qui les rends très intéressantes pour
l’industrie puisqu’elles permettent de renouveler l’oxygène atmosphérique tout en effectuant
le seul procédé capable de générer de la biomasse à partir du soleil et d’une source
carbonée.
Cette riche diversité d’espèces de microalgues connaît une expansion perpétuelle de par la
découverte de nouveaux spécimens. Cependant peu d’entre elles commencent à être
exploitées. Caractérisées parfois “d’or vert” par les chercheurs, les substances produites par
ces microalgues connaissent de multiples applications dans le secteur agroalimentaire, mais
aussi dans la cosmétique ou encore dans la pharmaceutique. Elles sont aussi un espoir
d’alternative au carburant actuel, par la synthèse de composés à haute substances
énergétiques comme la bioéthanol créée à partir d’amidon ou encore le biodiesel lié à une
source lipidique.
2.2- La Photosynthèse
Les microalgues possèdent un rendement photosynthétique très élevé. C’est grâce à la
chlorophylle présente dans les cellules et la lumière que le dioxyde de carbone est réduit en
sucre. C’est par ce processus que les micro-algues contribuent à maintenir la vie sur notre
planète en constituant la première source de production d’oxygène sur Terre et en
produisant cette fameuse biomasse algale. Or, la lumière solaire est absorbée par l’eau et
s'atténue lorsque la profondeur augmente. Ainsi, on retrouve les algues à la surface de l’eau
entre 40 à 60 mètres de profondeur.
Cette réaction chimique a lieu dans la feuille, plus précisément dans le chloroplaste, un
organite des cellules végétales dédiée à cette fonction. Afin de réaliser ce processus, il faut
six molécules de dioxyde de carbone et six molécules d'eau pour synthétiser une molécule
de glucose, et relâcher six molécules de dioxygène, grâce à l'énergie lumineuse. Mais ce
bilan est en fait décomposé en deux étapes successives qui sont complémentaires afin
d’assurer le bon fonctionnement de la photosynthèse.

La phase claire est dépendante de la lumière et se déroule dans les thylakoïdes dans les
chloroplastes. Dans lesquels se trouvent des acteurs majeurs de la photosynthèse : le
photosystème II et les complexes des cytochromes sont responsables de la libération
d’oxygène dans l’atmosphère et produisent de l’ATP via l’ATP Synthase. Alors que
photosystème I lui est responsable de la libération de NADPH dans le Stroma. La lumière
parvient sous forme de photons qui possèdent un potentiel énergétique différent selon leur
longueur d'onde. Ainsi les différents pigments absorbent certaines longueurs d’onde. Cette
énergie suite à l'absorption lumineuse est ensuite transmise puis collectée par des antennes
qui vont distribuées l’énergie aux photosystèmes.
Pour ce qui est de la phase sombre: l'énergie chimique contenue dans l'ATP et le
NADPH,H+ va permettre de fixer le carbone contenu dans le dioxyde de carbone
atmosphérique. C'est le cycle de Calvin. Le carbone fixé se fait ensuite réduire en glucide
par l'ajout d'électrons et de protons en présence d’ATP. La plupart du temps, le cycle de
Calvin se déroule de jour que la phase photochimique peut régénérer le NADPH+H+ et
l'ATP, indispensable à la transformation du carbone en glucide.
3-La Biomasse
Il s’agit d’une réserve d'énergie considérable née de l’action du soleil grâce à la
photosynthèse. Plusieurs espèces de micro-algues sont capables de passer d'une
croissance photoautotrophe à une croissance hétérotrophe (sans lumière) utilisant le
glucose ou d'autres substrats carbonés utilisables pour le métabolisme du carbone et de
l'énergie. Certaines algues peuvent également se développer par mixotrophie en combinant
les deux modes.
Les micro-algues présentent l’avantage d’avoir un cycle de division très court, de l’ordre de
quelques heures, permettant la production rapide de biomasse (plusieurs grammes de
matière sèche par litre).
4-Composition biochimique
Cette biomasse algale se différencie principalement des autres végétaux par sa richesse en
lipides, en protéines, en vitamines, en pigments et en antioxydants.
En effet, les micro-algues peuvent accumuler plus de 50% de leur poids sec en lipides.
Le contenu élevé en protéines et acides aminés est une des principales raisons pour
lesquelles les algues sont convoitées. Certaines espèces présentent également une
richesse en saccharides, d’autres encore peuvent produire des molécules à activité
antivirale, antibiotiques, ou anti prolifératives chez l’homme.
Chez les Macro-algues, la composition biochimique est très variable selon les espèces.
L’intérêt pour les macroalgues est dû à une richesse en fibres, minéraux et protéines.
Une particularité liée à l’origine marine de ces grandes algues, c'est leur richesse en
minéraux et oligo-éléments. La richesse en protéines varie en fonction des espèces mais
dans des conditions de milieux particulièrement riches en azote, le contenu en protéines
chez les algues aura tendance à augmenter. On note la présence de vitamine B12, dont les
teneurs sont assez importantes dans les algues, contrairement aux plantes terrestres qui en
sont totalement dépourvues.
Résultats
1- La culture des algues
La majorité de la production des macro-algues s'effectue par récolte sur les côtes littorales,
par ramassage de celles qui se sont spontanément détachées de leur support marin ou

encore récoltées par des plongeurs spécialisés. Pour les micro-algues, ce n'est pas la même
chose.
Les seules micro-algues dont la concentration est suffisante pour permettre une récolte
seraient la Spiruline « sauvage» (Arthrospira platensis), elle se développe spontanément
dans les milieux chauds et fortement alcalins et l'ADhanizomenon fos-aquae, une
cyanobactérie avec des amas filamenteux qui peuvent être observés en surface dans des
étendues d'eau douce.
Cependant, contrairement à la Spiruline, l'AFA comme beaucoup d’autres cyanobactéries,
peut produire à certains moments de l’année une diversité de toxines : les microcytes
contenant essentiellement des neurotoxines inquiétants.
1.1 - La sélection des algues
Dans le cas des microalgues, l'espèce d'algues est habituellement faite comme une
monoculture. Les cultures pures sont obtenues par la méthode de dilution en série. Un
échantillon mélange est dilué plusieurs fois de suite jusqu'à ce qu'il ne contienne
statistiquement qu'une seule espèce. Les échantillons sont ensuite analysés au microscope.
L'espèce désirée est cultivée puis analysée à nouveau pour créer de plus grandes cultures.
1.2 - L’algoculture en bassins autotrophes
L’algoculture ou phycoculture désigne la culture en masse des algues dans un but industriel
et commercial.
Les algues phototrophiques peuvent être cultivées de deux manières différentes, dans des
systèmes ouverts ou fermés. Dans un système ouvert, les algues seront en contact avec
l’atmosphère contrairement au système fermé. Cela a une influence importante sur les
impacts environnementaux qui peuvent influencer la solution d’algues, et également sur le
contrôle de la culture des algues. La lumière, l'eau, le dioxyde de carbone et les minéraux
sont des facteurs essentiels de la culture. La réaction de base est l'accumulation de glucides
et la libération d'oxygène (photosynthèse). Les microalgues peuvent être cultivées en masse
dans les systèmes qui sont dits “autotrophes” ce qui signifie qu’une microalgue est capable
de fabriquer sa propre matière organique à partir d’éléments minéraux primaires.
1.2.1 - Les systèmes ouverts
Dans les systèmes ouverts, les algues sont cultivées dans des bassins naturels ouverts,
mais également des bassins artificiels. Les bassins sont peu profonds (30 cm) et
généralement plats.
Dans l’eau de ces bassins, les algues sont capables de réaliser une photosynthèse et de
former de la biomasse à l’aide du rayonnement solaire. Les nutriments sont apportés pour
une croissance optimale des algues et un bullage assure l’apport de CO2. Les micro-algues,
les nutriments et le CO2 circulent grâce à des pales rotatives pour éviter la sédimentation.
Les bassins sont généralement construits dans des configurations circulaires ou de type
raceway. L’utilisation du bassin ouvert raceway (système d’écoulement continu) est
particulièrement courant. Dans ce bassin, l’eau est maintenue en mouvement, par exemple

par des roues à aubes ou des pales rotatives, pour éviter la sédimentation des algues.
Certaines macro-algues sont également cultivées en bassin de type raceway avec une
agitation mécanique ou par bullage intense basse pression.
Les bassins ouverts sont avantageux, car ils sont peu coûteux et faciles à construire.
Cependant, ils présentent plusieurs faiblesses comme le risque de contamination des
algues, l’évaporation élevée de l’eau et les faibles productivités volumétriques. Plusieurs
facteurs peuvent l’expliquer tels que la dépendance aux conditions naturelles de milieu qui
entraîne une productivité saisonnière et aléatoire. L’apport en CO2 dépend donc de la
concentration atmosphérique du milieu extérieur ou d’une source externe. De plus, son
transfert dans la phase liquide est très insuffisant dû à la faible profondeur des bassins.
Finalement, ces inconvénients mènent à une production de faible qualité de biomasse et
une forte absorption de l’eau. Ces pertes d’eau engendrent des bassins qui deviennent
sursalés. Néanmoins, il existe des cultures sous serres qui permettent d’avoir des écrans
d’ombrage en cas de soleil très fort et donc de pallier certaines failles de ces bassins mais à
un coût élevé.
1.2.2 - Les systèmes fermés
La solution de culture des algues peut se trouver dans des systèmes fermés, isolée de
l’atmosphère immédiate. Ils tendent aujourd’hui à remplacer progressivement les cultures à
l'air libre. Les algues dans les systèmes fermés sont mises en mouvement par le CO2 induit
ou par des pompes.
Il existe différents types de systèmes fermés, les 3 principaux sont :
- Les photobioréacteurs à colonne verticale : faciles à stériliser, ils permettent une
biomasse élevée. Cependant, leur fabrication nécessite un matériel sophistiqué et la
répartition de la lumière est assez hétérogène à l’intérieur de la colonne.
- Les photobioréacteurs tubulaires : faciles à réaliser, utilisables à l’extérieur, ils
forment un réseau de tubes horizontaux, verticaux, obliques ou coniques. Ils
permettent une production importante de biomasses à faible coût. Cependant, des
gradients de pH, de CO2 et d’O2 dissous peuvent apparaître dans les tubes ce qui
diminue la productivité du système.
- Les photobioréacteurs plats : ils permettent une bonne pénétration de la lumière, une
forte production de la biomasse et un fort rendement photosynthétique. De plus, ils