Modélisation et conception d’un système de culture de microalgues Modeling and design of microalgae design process

 Photosynthèse

Principe

Les microalgues sont des eucaryotes autotrophes, c’est à dire qu’elles transforment le dioxyde de carbone inorganique (ou minéral), comme celui présent dans l’air, en matière organique. Cette transformation s’effectue grâce à l’énergie lumineuse par un processus unique de conversion de l’énergie solaire : la photosynthèse (Masojidek et al., 2004). Les Chapitre I : Microalgues : Biologie et moyens de cultures – Système expérimental 9 microalgues ont un rendement photosynthétique élevé (rapport de l’énergie lumineuse incidente sur l’énergie stockée dans les microalgues) (Cadoret et Bernard, 2008). Le principe de la photosynthèse a été découvert par Priestley en 1780, le dioxyde de carbone est absorbé par les plantes grâce à un pigment vert : la chlorophylle. Lors de la photosynthèse, par action de la lumière, le dioxyde de carbone est réduit en sucre (CH2O)n servant à la construction des réserves (des sucres comme l’amidon ou des huiles). L’eau est quant à elle photo-oxydée en oxygène. La photosynthèse est donc la transformation de carbone inorganique en matière organique ou encore la transformation d’énergie lumineuse (représentée par dans la Figure I-2) en énergie chimique, c’est un processus de capture de l’énergie (Grobbelaar, 2000). H20 O2 CO2 Sucres ATP ADP NADP+ NADPH,H+ hv Cycle de Calvin (I-1) Figure I-2 : La photosynthèse – Réaction globale La photosynthèse se déroule dans les membranes thylacoïdiennes des chloroplastes où sont situés des pigments photorécepteurs (chlorophylles, caroténoïdes) (Figure I-3). Le chloroplaste est un organite typique des cellules végétales et a pour principal composant la chlorophylle (pigment vert). Il est composé d’une phase aqueuse (stroma) et de couches de membranes lipoprotéiques : les thylacoïdes. Les thylacoïdes sont des « lamelles » disposées parallèlement à l’axe principal du chloroplaste, la membrane thylacoïdienne forme une vésicule plate, formant un espace intra-thylacoïdien : le lumen. Les membranes thylacoïdiennes sont majoritairement composées d’acides gras polyinsaturés (Hu, 2004). Amidon Thylacoïdes ADN Membrane interne Lumen Stroma Membrane externe La photosynthèse permet la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique. Cette transformation est possible grâce à la chaîne photosynthétique et au cycle de Calvin. La photosynthèse se déroule en deux phases :  La phase photochimique dite éclairée (chaîne photosynthétique), dépend directement de la lumière : phase de conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique au niveau des membranes thylacoïdiennes ;  La phase dite obscure (cycle de Calvin), non dépendante directement de la lumière : phase de synthèse de matière organique (sucres) à partir de produits issus de la phase photochimique et du CO2 atmosphérique dans le stroma du chloroplaste.

Phase photochimique

La phase photochimique est la phase dite éclairée de la photosynthèse, elle se déroule dans les membranes thylacoïdiennes, en présence de lumière. La captation de l’énergie lumineuse s’effectue grâce aux pigments photorécepteurs présents dans la membrane des thylacoïdes. Les pigments majoritairement présents sont la chlorophylle et les caroténoïdes (comme le bêta-carotène). Ces pigments sont regroupés dans les photosystèmes pour capter au mieux la lumière. Un photosystème est une entité composée d’une antenne et d’un centre réactionnel. L’antenne, intégrée dans la membrane thylacoïdienne, est composée de centaines de pigments associés à des protéines et des lipides. 

La lumière, source d’énergie des microalgues

Figure I-4 : Spectre d’absorption des pigments photosynthétiques La lumière est un rayonnement électromagnétique qui voyage à environ 3*108 m.s -1 . Le rayonnement utile à la photosynthèse, appelé PAR (de l’anglais, Photosynthetically Active Radiation), a une longueur d’onde comprise entre 400 et 700 nm et qui correspond plus au moins à la plage de longueur d’onde de la lumière visible. Plus spécifiquement, le spectre d’absorption de la chlorophylle est majoritairement le bleu et le rouge, avec un maximum d’absorption à 678 nm. Les caroténoïdes absorbent le plus de rayonnement entre 400 et 600 nm (avec un maximum à 440 nm (Richmond, 2004)). Les photosystèmes des microalgues n’exploitent pas l’ensemble du PAR mais seulement 35 à 45 % du rayonnement solaire. De plus, la photosynthèse de la plupart des microalgues est saturée à 30 % des rayonnements solaires totaux soit un rayonnement de 1700 à 2000 µmol.m-2 .s-1 (Cadoret et Bernard 2008 ; Tang et al., 2011). 

Fonctionnement d’un photosystème et de la captation de l’énergie lumineuse

Le photosystème est le lieu de la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique. Lorsqu’un photon d’énergie frappe un pigment, il provoque le déplacement d’un électron vers une orbite atomique plus externe. Ce déplacement d’électron provoque un changement d’état de la chlorophylle qui va passer d’un état fondamental ( ) à un état dit excité ou instable, c’est-à-dire porteur d’énergie. Quand la chlorophylle excitée ( ) revient à son état fondamental, l’énergie emmagasinée est réémise sous forme de chaleur, de fluorescence ou d’énergie d’activation d’un autre pigment. (I-2) Le pigment contigu est excité à son tour et l’énergie libérée va exciter un autre pigment et ainsi de suite jusqu’au centre réactionnel du photosystème où une chlorophylle dite « piège » est excitée et va émettre un électron (Equation (I-3)). La chlorophylle piège sera alors oxydée ( ). L’eau, par son oxydation, permettra à la chlorophylle de retrouver son état fondamental. L’électron émis va être pris en charge par différents couples d’oxydoréduction et va former la chaîne photosynthétique qui est un flux d’électron dans la membrane thylacoïdienne. chla + hν chla * chla + chla e- eH2O O2 (I-3) L’état excité d’un pigment dure très peu de temps (10-13 à 10-18 s) et la molécule retourne ensuite à son état fondamental. 

Principe de la chaîne photosynthétique

Le rôle principal des réactions de la phase photochimique est de créer un réducteur biochimique : le NADPH (Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate) et un composé hautement énergétique : l’ATP (Adénosine TriPhosphate). Ces deux molécules sont nécessaires pour l’assimilation du carbone inorganique (Hu, 2004) La chaîne photosynthétique est composée de trois complexes macromoléculaires intégrés dans la membrane thylacoïdienne : le photosystème II (PS II), le complexe cytochrome b6/f et le photosystème I (PS I). La translocation des électrons entre les différents complexes s’effectue par de petites molécules, transporteurs d’électrons et de photons : les plastoquinones, plastocyanines et ferrédoxines (Figure I-5). Le transfert d’électron se fait en passant d’un couple rédox faible vers un potentiel redox plus élevé (Figure I-6). Chapitre I : Microalgues : Biologie et moyens de cultures – Système expérimental 12 Q SZ ATP Synthétase PSII Antenne Cytochrome b6/f PSI Ferrédoxine NADP réductase Ferréd oxine Antenne h h PC PQ H2O ½ O2 NADP+ NADPH,H+ Chla Chla e- e- eADP +Pi ATP H+ 2H+ H+ Stroma Lumen Membrane thylakoïdienne H+ Photolyse de l’eau H+ ee- e- eFigure I-5 : La chaîne photosynthétique La chaîne photosynthétique commence par un impact lumineux sur une antenne de réception accolée au photosystème II. Les photons captés, d’une longueur d’onde comprise entre 400 et 700 nm, excitent les pigments jusqu’au centre réactionnel où la chlorophylle piège passe dans un état excité puis oxydé, libérant ainsi un électron. Le centre réactionnel du PS II fonctionne à un équivalent énergétique d’un photon à 680 nm et est nommé P680. L’énergie excédentaire contenue par les photons des longueurs d’ondes inférieures est réémise sous forme de chaleur ou de fluorescence. Le retour de la chlorophylle piège oxydée à un état fondamental s’effectue en réaction avec un complexe SZ qui va simultanément oxyder l’eau. L’oxydation de l’eau (ou photolyse) va produire de l’oxygène, des électrons et des protons. Les électrons issus de la photolyse de l’eau vont rejoindre les électrons issus de l’impact lumineux. Ces électrons sont transférés vers le complexe b6/f par des quinones (Q) puis des plastoquinones (PQ). Ce transfert spontané exergonique (qui libère de l’énergie) est couplé par un trajet endergonique de protons du stroma vers le lumen au niveau du complexe b6/f. Les électrons sont ensuite transférés par la plastocyanine (PC), qui opère dans le lumen, vers le photosystème I (PS I). Le PS I fonctionne à un équivalent énergique d’un photon à 700 nm et fonctionne comme le photosystème II. Les électrons sont transférés à la ferrédoxine puis à la ferrédoxine NADP réductase qui va réduire le NADP+ en NADPH. L’accumulation des protons, venant de la photolyse de l’eau et du pompage par le complexe b6/f entraine un gradient de protons dans le lumen du thylacoïde. Ce gradient va générer une force proton-motrice qui peut être utilisée pour la formation d’ATP. Le gradient entraine donc le passage spontané des protons par l’ATP synthétase, formant ainsi de l’ATP. Cette formation d’ATP, dépendante de la lumière est appelée phosphorylation. Chapitre I : Microalgues : Biologie et moyens de cultures – Système expérimental 13 L’ensemble de cette chaîne réactionnelle donne l’équation globale de la phase photochimique acyclique (Equation (I-4). (I-4) L’équation (I-4) montre que quatre photons sont nécessaires pour former un ATP et un NADPH. La chaîne photochimique non cyclique est donc totalement dépendante des deux impacts lumineux sur les PS II et PS I qui abaissent leur potentiel d’oxydoréduction permettant ainsi le trajet spontané d’électron exergonique (générateur d’énergie). L’énergie va se trouver sous forme de coenzyme réduite de type NADPH,H+ en fin de chaîne mais aussi sous forme d’ATP (Figure I-6). Q SZ PSII P680 PSII* PSI P700 PSI* PQ PC Cyt b6/f Ferrédoxine Ferrédoxine NADP réductase 1 – 1.2 0 – 0.8 – 0.4 0.4 0.8 e- e- e- ehν hν H2O ½ O2 NADP+ NADPH,H+ ePhosphorylation cyclique ADP + Pi ATP Potentiel d’oxydoréduction (V) e- Trajet des électrons Figure I-6 : Schéma Z de la photosynthèse La formation d’ATP (ou phosphorylation) peut aussi fonctionner de manière cyclique. Au niveau du PS I, les électrons émis par la chlorophylle reviennent réalimenter le complexe b6/f (shunt d’électron). Lorsqu’il y a une quantité suffisante de NADPH, leur production est bloquée, les électrons se recyclent pour produire plus d’énergie sans produire de NADPH.

Phase d’assimilation de CO2 ou phase obscure (non dépendante de la lumière)

Cette phase se déroule dans le stroma et ne nécessite pas directement de la lumière. Cette phase va réduire le CO2 en matières organiques (glucides, lipides et protéines) (Zeng et al., 2011). L’ATP et le NADPH,H+ formés lors de la phase photochimique sont nécessaires pour la fixation du carbone. Le CO2 va interagir avec le ribulose 1-5,diphosphate dans une réaction catalysée par l’enzyme nommée RubisCo. Cette enzyme est donc responsable de la fixation catalytique du CO2 dans la cellule (Langley et al., 2012). La fixation de carbone est dépendante des produits créés pendant la phase éclairée mais ne dépend pas directement de l’énergie lumineuse. Par contre cette phase a besoin d’un apport continu en ribulose 1-5,diphosphate. Cette molécule est régénérée lors du cycle de Calvin (Figure I-7). Le cycle de Calvin est composé de trois phases : la phase de carboxylation (intégration du CO2), la phase de réduction, la phase de régénération (Hu, 2004). 6 Acide 3- phosphoglycérique 6 Acide 1,3- diphosphoglycérique 6 Glycéraldéhyde 3-phosphate 5 Ribulose 5- phosphate 3 Ribulose 1,5- diphosphate 3 CO2 6 ATP 6 ADP 6 NADPH, H+ 6 NADP 3 ADP 3 ATP Sucres, graisses RubisCo 5 Glycéraldéhyde 3-phosphate Glycéraldéhyde 3-phosphate Phase de réduction Phase de carboxylation Phase de régénération Figure I-7 : Cycle de Calvin Pour une molécule de CO2 fixée, trois molécules d’ATP et deux molécules de NADPH,H+ sont consommées. Dans des conditions optimales, 10 à 16 moles de photons sont nécessaires pour fixer une mole de CO2 (Richmond, 2004). En théorie huit moles de CO2 sont nécessaires. Les moles en plus correspondent aux besoins minimum de la cellule en énergie. (Cadoret et Bernard, 2008). 

Respiration cellulaire

Quand il n’y a plus de source lumineuse, la microalgue continue de produire de l’ATP et du NADPH par respiration cellulaire ou respiration mitochondriale. La respiration cellulaire a lieu dans les mitochondries. Son fonctionnement est basé sur le même principe que la photosynthèse, c’est-à-dire le transfert d’électron d’un complexe membranaire à un autre (Figure I-8). Complexe I Espace intermembranaire Matrice Complexe II CoQ Complexe III Complexe IV ATP Synthétase Cyt c NADH NAD+ Succinate Fumarate O2 2H2O ADP + Pi ATP 4H+ 4H+ 2H+ 2H+ 2H+ 2H+ H+ H+ e- ee- e- e- eFigure I-8 : La chaîne respiratoire Quatre complexes multienzymatiques, localisés dans la membrane interne des mitochondries, forment la chaîne respiratoire. Ces complexes vont transporter les électrons jusqu’à la transformation d’oxygène en eau. Les complexes sont aussi des pompes à protons, ils s’accumulent dans l’espace inter membranaire, créant un gradient de protons. Ce gradient de protons permet la synthèse d’ATP par l’ATP synthétase. La respiration cellulaire permet la consommation d’oxygène et la formation d’ATP. Mais elle ne produit pas de NADPH, essentielle pour la fixation de dioxyde de carbone. Lors de la production de microalgues, 25 % de la biomasse produite pendant la journée est perdue durant la nuit à cause de la respiration cellulaire, cette perte peut être réduite par un abaissement de la température (Chisti, 2007).

Photorespiration

La photorespiration est un processus compétitif avec la première phase du cycle de Calvin. L’enzyme catalysant la réaction d’intégration du CO2 peut agir comme une oxygénase pour catalyser la réaction de l’oxygène avec la ribulose phosphate. L’enzyme RubisCo a plus d’affinité avec l’oxygène qu’avec le dioxyde de carbone, c’est pour cela qu’une concentration élevée en oxygène inhibe la photosynthèse. La photorespiration diminue de 20 à 30 % l’efficacité de la photosynthèse (Zeng et al., 2011). Pour éviter ce phénomène, l’air pour les cultures de microalgues est enrichi en CO2.