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Apports de la biologie a la chimie Apports de la biologie a la chimie Les micro

Apports de la biologie a la chimie Apports de la biologie a la chimie Les micro algues, les enzymes, les bactéries produisant des molécules d'intérêts Binôme : ALLITI Amine BELABBES El Mehdi Module : Chimie verte On va s'intéresser sur les microalgues Généralités sur les microalgues Classification taxonomique des algues Le monde des microalgues et des cyanobactéries Application des micro algues La photosynthèse, première source d’énergie chez les microalgues Produire et valoriser les microalgues État des lieux et avancées majeures dans la culture de microalgues Valorisation totale des micro algues et systèmes innovants Généralités sur les microalgues : Les micro algues sont des microorganismes aquatiques unicellulaires eucaryotes de forme ellipsoïde ou ronde, elles se trouvent dans tous les habitats aquatiques, marins ou d’eaux douces. Les micro algues utilisent l’énergie solaire et l’eau pour la production de biomasse et d’oxygène, par le biais de la photosynthèse. En effet, ces microorganismes sont à l’origine de l’équilibre de la composition atmosphérique dont la fixation de dioxyde de carbone et le rejet d’oxygène et contribuent ainsi à la continuité de la vie animale et végétale. Les algues sont classées selon leur taille (micro et macro algues), selon leurs pigments, les caractéristiques de leurs parois et leurs compositions. Les macro algues sont généralement visibles à l’œil. Les macro algues peuvent être subdivisées en trois groupes selon leur pigmentation : verte, marron, et rouge. Actuellement, les macro algues sont utilisées dans des procédés de transformation pour produire de l’énergie : combustion, pyrolyse et digestion anaérobie (biogaz). Les microalgues sont considérées comme des algues unicellulaires, qui ont une taille de l’ordre du micromètre. Elles se développent principalement en suspension dans des solutions aqueuses. Elles sont aptes à coloniser tous types de milieux, notamment eaux salées, douces, saumâtres et même dans des eaux usées grâce à leurs capacités d’adaptation et de survie. Elles peuvent également se développer sur des surfaces rigides, telles que les troncs d’arbre, les structures immergées ou les murs. A l’échelle microscopique, elles peuvent se présenter séparées ou en colonies. Selon leur type et les conditions environnementales, les micro algues peuvent produire des quantités importantes de lipides, de sucres et de protéines grâce à la photosynthèse. Les microalgues présentent différentes formes : souvent sphériques (porphyridium), de gouttelette (Chlamydomonas), de filament (Spirulina), de spirale (Arthrospira), et même d’étoile (Staurastrum). Classification taxonomique des algues Les microalgues sont l'une des formes les plus primitives des plantes. Les algues appartiennent à des groupes diversifiés de micro-organismes photosynthétiques allant des unicellulaires (microalgues ou phytoplancton) aux multicellulaires (macro algues ou filamenteuses) dont la taille est inférieure à 400 µm et dont le diamètre est normalement compris entre 1 et 30 µm. Les biologistes ont classé les microalgues en fonction de leur cycle de vie, leur structure cellulaire de base et de la variation de leur pigmentation photosynthétique, à savoir les algues vertes, bleue-vertes, rouges, brunes et dorées. Figure 1 : Classification des microalgues: (a) les diatomées (Bacillariophyceae); (b) vert (Chlorophyceae):[1. Desmotetra, 2. Stigeoclonium, 3. Desmodesmus, 4. Chlamydomonas, 5. Pediastrum, 6. Volvox]; (c) les cyanobactéries bleues et bleu-vert (Cyanophyceae); (d) doré (Chrysophyceae); et (e) des algues rouges (Rhodophyceae) Le monde des microalgues et des cyanobactéries Comment fonctionnent- elles ? Les cyanobactéries et les microalgues sont deux organismes différents d’un point de vue biologique puisque les premières sont procaryotes1 et les autres eucaryotes. Quand on parle de microalgues et de leur valorisation, on intègre ces deux micro-organismes puisque tout deux sont des micro-organismes photosynthétiques (Figure 1). La photosynthèse permet l’utilisation du carbone minéral, donc du CO2, pour le métabolisme de l’organisme. Comme les plantes supérieures3, à côté du CO2, les micro algues utilisent d’autres nutriments (le phosphate, les nitrates, etc.), qu’il faut prendre en considération pour les analyses des cycles de vie4 et de la production de ces micro algues. L’énergie à la base de ces processus basés sur la photosynthèse est l’énergie solaire. Plus précisément, c’est la partie visible du spectre qui est utilisée. Se pose donc le problème de l’autre moitié du spectre, et notamment du rayonnement infrarouge. Il faut du Soleil pour produire des algues, mais il ne faut pas trop de température non plus. Dans nos régions, on ne cultive pas les algues l’hiver, et dans la Chine du Sud, on ne cultive pas les algues l’été… Tous ces paramètres sont importants à contrôler pour la production industrielle de ces micro algues. Les micro algues ont été parmi les premières espèces pré- sentes sur Terre ; on parle de 4 milliards d’années. Les Figures 2 et 3 montrent la diversité des micro algues et cyanobactéries ; elles sont présentes dans les mers, mais aussi dans les zones terrestres humides. Cette très grande diversité conduit à un grand potentiel d’exploitation sur lequel nous reviendrons plus loin. Procaryote : cellule ne possédant pas de noyau. Eucaryote : cellule possédant un noyau qui renferme son matériel génétique. Plantes supérieures : plantes se reproduisant à l’aide de graines et non de spores comme les algues. Analyse du cycle de vie : étude de l’impact environnemental d’un produit à sa conception, pendant son utilisation, et en fin de vie. B A Figure : La croissance des microalgues vertes se fait par photosynthèse en milieu entièrement minéral, sans apport d’un substrat organique (ce sont des organismes autotrophes), par absorption en milieu aqueux des minéraux nécessaires et du carbone inorganique environnant grâce à la lumière captée. A) Cyanobactérie : Spirulina platensis ; B) Micro algue : Chlorella vulgaris. Figure : Les différentes formes des microalgues Application des micro algues Les microalgues planctoniques ont non seulement une grande importance dans le fonctionnement des écosystèmes aquatiques, mais aussi un grand potentiel pour la production de composés intéressants pour l’alimentation humaine, l’aquaculture (figure 2, ), et pour la production de molécules à haute valeur ajoutée dans l’industrie pharmaceutique et cosmétique. Figure 2 : Les vastes domaines d’application des micro algues Domaine alimentaire Grâce à leur bonne valeur nutritionnelle, ces microorganismes sont utilisés dans l’alimentation animale et humaine et dans l’aquaculture. La biomasse peut être manufacturée sous diverses formes telles que tablettes, poudre, capsules, pastilles….Chlorella vulgaris et Daniella Salina sont les espèces les plus répandues en alimentation humaine et animale. Les microalgues se composent de nombreux pigments tels que la chlorophylle, les caroténoïdes qui sont souvent employés en tant que colorants naturels dans l’industrie alimentaire limitant ainsi l’utilisation des colorants artificiels. Dans ce contexte, On cite l’exemple de la microalgue Dunaliella qui synthétise le pigment β-carotène utilisé comme colorant en industrie alimentaire. D’autres caroténoïdes, notamment l’astaxanthine, la lutéine, la zéaxanthine et la canthaxanthine, sont utilisés comme des antioxydants en aquaculture et en alimentation animale et humaine. Les microalgues produisent des polysaccharides, qui sont largement exploités en tant que agents gélifiants ou épaississants dans l’industrie agroalimentaire. Domaine cosmétique Plusieurs espèces de microalgues, principalement les deux espèces Arthrospira et Chlorella sont de plus en plus exploitées dans le domaine cosmétique. D’autres espèces algales, sont utilisées dans la fabrication des produits de soin capillaire, du visage et de la peau grâce à leur activité antioxydante. En outre, la souche Arthrospira produit des protéines qui permettent la réparation des signes de vieillissement de la peau alors que des extraits de la microalgue Chlorella vulgaris permettent de stimuler la production du collagène. Ce dernier à une propriété anti-âge qui se révèle intéressante dans la fabrication des émulsions et des crèmes antirides. Par ailleurs, les pigments extraits des microalgues sont également recherchés dans le domaine cosmétique. C’est à ce domaine d’application que notre travail s’adresse. Domaine pharmaceutique Les microalgues représentent une source intéressante de molécules bioactives et de toxines utilisables dans le développement de nouveaux médicaments. Plusieurs études ont permis de mettre en évidence l’implication des microalgues dans le domaine pharmaceutique par l’identification de nouvelles molécules naturelles. Dans ce contexte, la tubercidine, une molécule cytotoxique, a été identifiée chez la microalgue Tolypthrixbyssoidea ainsi que chez les cyanobactéries. Cette molécule présente une action in vitro, effective contre un type de leucémie lymphoïde. Par ailleurs, les microalgues peuvent synthétiser des sulfolipides antiviraux pour fortifier le système immunitaire. L’utilisation d’extraits algaux à forte teneur en antioxydants, trouve des applications dans l’industrie pharmaceutique pour des thérapies contre certains types d’inflammation. Par ailleurs, les microalgues sont des sources de différentes vitamines qui sont encore à l’état de recherche dans le domaine pharmaceutique. On retrouve Chlorella dans de nombreuses applications pharmacologiques. Cette microalgue a montré des résultats intéressants in vitro contre les effets de l’absorption de molécules toxiques ; elle entre aussi en jeu dans des traitements contre l’hypertension . Elle a démontré des propriétés intéressantes dans le traitement du diabète chez la souris. Elle présente de nombreuses propriétés immunologiques et anti-cancéreuses . Les applications des microalgues de culture Les applications industrielles des microalgues sont aujourd’hui l’aquaculture, les compléments alimentaires et les cosmétiques (Figure 8). D’autres applications sont à l’étude ou en émergence, à savoir les carburants (mais à un horizon beaucoup plus lointain), ou encore l’alimentation animale ou humaine. La question à résoudre est celle de l’extrapolation des procédés pour permettre la production de masse des algues. Le débat technique est uploads/s3/ presentation-final.pdf