ARRAR
Farah, DEAN Léa, FARIA Julie, FRANCOIS Vincent,
JAMET Camille, JUY Thibault
Qu’est-ce que les micro-algues et comment
fonctionnent-elles ?
Les algues (macro et micro) désignent un ensemble
d’organismes photosynthétiques présents le plus souvent en milieu aquatique.
Les micro-algues, aussi appelées phytoplanctons, sont définies comme étant des
organismes unicellulaires ou pluricellulaires indifférenciés. Elles ne
possèdent ni racines, ni tiges, ni feuilles mais sont pourvues de chlorophylle
et autres pigments leur permettant de réaliser la photosynthèse. Ainsi, on
considère comme micro-algues tout organisme aquatique unicellulaire capable de
réaliser la photosynthèse. Il s’agit d’organismes eucaryotes à l’exception des
cyanobactéries, qui eux, sont des micro-algues procaryotes photosynthétiques (1).
Les micro-algues sont capables de faire la photosynthèse,
c’est-à-dire qu’elles ont la capacité de transformer l’énergie lumineuse en
énergie chimique puis en nourriture. Cette machinerie est contrôlée par une
protéine nommée PGR5 (2).
Pour capter l’énergie solaire, les micro-algues possèdent, comme
tous les végétaux, une protéine appelée LHCs (2) permettant le
transfert de cette énergie de l’extérieur vers l’intérieur de leur membrane
cytoplasmique. L’énergie est dirigée dans les chloroplastes à l’aide de
transporteurs puis sera transformée en sucre ou en oxygène selon les besoins de
l’organisme.
Les scientifiques s’intéressent aux micro-algues pour leur
biomasse luxuriante facile à trouver, cultiver, transporter et éventuellement à
analyser. Une micro-algue a de nombreuses propriétés chimiques et biochimiques
pouvant s’appliquer dans plusieurs domaines, autres que la biologie, comme les
transports, la cosmétique et l’alimentation. Enfin, le domaine de la recherche
sur les micro-algues est en pleine explosion compte tenu des résultats : bon
rendement, bonne capacité d’adaptation, rapidité de production des molécules
cibles comme les triglycérides pour la production d’huile végétale utilisée
dans les algocarburants et la forte capacité de capture du dioxyde de carbone visant
à dépolluer la Terre.
Ces petits êtres surprenants seraient-ils au
cœur d’une future révolution à la fois industrielle, pour leurs atouts énergiques,
et environnementale pour l’aspect écologique et durable de leur production ?
Exemples
d’utilisations
L’utilisation
des micro-algues dans le domaine des biocarburants
Tout d’abord, un agro-carburant est un
biocarburant liquide issu de la transformation des matières végétales produites
par l’agriculture. Il représente une source d’énergie renouvelable donc une
solution incontournable pour la préservation de l’environnement.
Il existe différents types de
biocarburants : les biocarburants dits de 1ère génération,
issus de matières végétales alimentaires (céréales, huile de tournesol...);
ceux de 2ème génération, issus de résidus agricoles et forêts (bois,
paille) et ceux de 3ème génération, encore appelés algocarburants,
issus des micro-algues lipidiques. Pour que leur production en lipides soit
convertie en biocarburant, les filières algales se basent sur un certain nombre
d’étapes nécessaires (3).
Premièrement, il est nécessaire de
sélectionner les micro-algues en fonction de leur capacité à produire des
triglycérides, la principale réserve d’huiles végétales. Les plus performantes
peuvent contenir jusqu’à plus de 70% de lipides.
Ces
micro-algues sont ensuite mises en culture dans de l’eau tout au long de
l’année et ne demandent l’action d’aucun pesticide ou herbicide. Elles peuvent
grandir en milieux aqueux, doux ou salés, à condition
d'avoir accès à la lumière, au dioxyde de carbone et aux nutriments. Ces
cultures peuvent être réalisées en grandes quantités dans des bassins ouverts.
Ce type de milieu, facile à construire, livre les conditions nécessaires aux
micro-algues.
Cependant,
les conditions de vie proposées, comme le taux de luminosité, varient en
fonction de l’heure. Et, ce milieu est facilement sujet aux contaminations.
Sinon, les
photobioréacteurs sont des réacteurs chimiques appliqués à la biologie soit des
enceintes fermées et contrôlées pouvant mettre en culture ce type d’organismes
photosynthétiques. Plus complexes et plus
onéreux, ils assurent un développement et un contrôle de qualité des cultures
(4).
Photographie d’un photobioréacteur (source : ENNESYS)
Dans ces milieux,
les organismes ne cessent de synthétiser les lipides nécessaires au produit
final et sont récoltés selon le milieu de culture choisi. La récolte peut se
faire physiquement ou de manière chimique avec introduction d’un solvant
organique d’extraction permettant de récupérer les liquides du milieu. Les
substances d’intérêts sont alors prélevées par une extraction liquide-liquide
et une séparation de phase. Il existe d’autres méthodes de séparations qui
jouent avec la différence des masses volumiques des cellules et du milieu
(sédimentation, floculation-décantation, flottation et centrifugation) ou
encore avec la différence de taille (tamisage et procédés à membranes pouvant
utiliser la micro ou l’ultrafiltration). Une fois les substances extraites, les
micro-algues sont toujours vivantes et donc remises en culture. Les lipides
sont ensuite convertis en algocarburants par transestérification
: réaction de l’huile avec du méthanol ou de l'éthanol pour obtenir un ester
d'huile algale ou un biodiesel, enfin une étape d’hydrotraitement : réaction de
l’huile avec de l’hydrogène suivie d’un hydrocraquage (procédé mis en
œuvre sous une forte température et une forte pression d’hydrogène).
Après
cette ultime étape, le biocarburant est entièrement produit, il peut être
utilisé comme tel ou mélangé à d’autres biodiesels. La production de carburant
par les micro-algues fonctionne actuellement mais ne suscite pas l’unanimité de
tous (4).
Désavantages de cette utilisation
Dans le domaine des biocarburants, les micro-algues sont souvent considérées
comme le futur or vert, terme utilisé dans un article du Journal du CNRS. Leur
utilisation présente pourtant des désavantages.
De nombreux systèmes de culture sont actuellement utilisés.
Malheureusement, aucun d’eux ne permet un rendement optimal. Par exemple, les bassins ouverts, pour éviter toutes
contaminations, ne permettent la culture que d’espèces extrêmophiles, résistantes
à des conditions extrêmes (5). Concernant les photobioréacteurs,
c’est l’achat, l’entretien et le maintien artificiel des conditions de culture
qui élèvent leurs coûts financiers. Par exemple, selon La Tribune (octobre,
2012) pour la grande ferme Sapphire installée dans le désert du Nouveau Mexique, ce
sont les fortes illuminations, les hautes températures en été et les basses
températures en hiver qui ont une mauvaise influence sur les cultures. Ces
conditions entraînent des évaporations
en journée obligeant les producteurs à
augmenter leurs apports en eau. Selon cet article, cette grande ferme vise une
production annuelle de 1,5 million de barils en 2014 contre 11 millions de
barils pour les carburants fossiles originaires d’Arabie Saoudite selon Le
Figaro (juin, 2015). La production annuelle de biocarburant est donc, pour le
moment, inférieure à celle de carburants fossiles. Il existe aussi des désavantages sur les plans écologiques
et économiques.
Tout d’abord, l’apport en engrais et en substances chimiques
(oligo-éléments, vitamines, silice, azote ou encore phosphore) élèvent le coût
de la production. Les producteurs sont contraints de les utiliser car ces
éléments empêchent la prolifération de micro-organismes, pouvant devenir
envahissante. D’ailleurs, ils sont autorisés à utiliser des organismes
génétiquement modifiés : les modifications génétiques touchent,
évidemment, les réserves d’huile des micro-algues.
Cette pratique présente des risques car ces micro-algues peuvent
être libérées et causer des perturbations dans l’environnement. Le prix de ce
biocarburant reste un point négatif de cette utilisation. Cependant, les
estimations ne sont pas les mêmes en fonction des entreprises. Par exemple, l’entreprise
Joule Unlimited estime le litre à 0,25€, un prix compétitif alors que Shamash
et Seed Science Ltd l’estiment à 10€, un prix nettement moins compétitif
comparé aux prix des carburants fossiles : 0,80 et 1,20€/litre.
En général, le
bilan énergétique des carburants tirés d’algues n’est pas très satisfaisant. La
quantité d’énergie nécessaire à leur production est sept fois plus grande que
l’énergie produite par les carburants qu’elles délivrent (6). C’est
d’ailleurs pour cela qu’il n’y a toujours pas d’algocarburants commercialisés.
Bien que les micro-algues aient des avantages, leurs productions en
biocarburant rejoignent les biocarburants de première et de deuxième génération
sur les effets concernant la dégradation de l’environnement.
Aujourd’hui, des recherches sont réalisées sur d’autres moyens de mettre à
profit les vertus de ces micro-algues.
Premier moyen
: utiliser les micro-algues pour dépolluer l’air.
Aujourd’hui, le rejet de dioxyde
de carbone dans l’atmosphère est une préoccupation
majeure en Europe. Scientifiques, ingénieurs, industriels et hommes politiques réfléchissent
à des solutions permettant de diminuer le rejet de ce gaz polluant. Tous les ans, 4,9 milliards de kilos de dioxyde
de carbone sont rejetés dans l’atmosphère soit un 1
kilo de dioxyde de carbone pour 4 secondes pour 1 voiture européenne (d’après
les estimations du site Cosmoglobe). Le biogaz issu des micro-algues devient
une alternative prometteuse aux carburants fossiles.
Le principe
du biogaz par l’utilisation des micro-algues s’articule autour de trois axes :
une culture de micro-algues qui capte à la fois le dioxyde
de carbone de l’air et l’énergie lumineuse du soleil.
Elle convertit également ce dernier par l’intermédiaire d’un métabolisme
complexe utilisant un gaz naturel synthétique. Ce gaz
sera, par la suite, injecté dans le réseau de gaz naturel. Deux expériences
sont menées actuellement en Europe et en Suisse à ce sujet.
Les scientifiques ont démontré que très peu de micro-algues
produisent plus de biogaz qu’une centaine d’arbres réunis. Pour aboutir à ce
gaz, les micro-algues subissent une gazéification hydrothermale, technique
basée sur l'optimisation des caractères physico-chimiques des micro-algues.
En 2014, la première expérience est réalisée en Suisse par The
Cloud Collective (7), une entreprise franco-néerlandaise qui cultive
des micro-algues au-dessus d'un pont routier. L'objectif est de capter les
émissions de dioxyde de carbone des véhicules à
l’entrée du pont pour les filtrer, les traiter et en rejeter un biogaz propre
et écologique. Cela se fait par l’intermédiaire d’un photobioréacteur sur un
pont de Genève (Suisse) (7).
Schéma représentant le système mis en place par The Cloud Collective (source : Wedemain)
Un système de pompes
et de filtres récupère le gaz pollueur, le met au contact des micro-algues
séparées par des filtres. Ensuite, des pompes régulent la vitesse et le
mouvement permanent dans les tubes pour éviter toute stagnation des organismes.
Ce mécanisme amplifie le phénomène d’absorption des gaz et nutriments par les
micro-algues et augmente le rendement de production.
Enfin, on trouve un système d’évacuation qui enlève le surplus de
micro-algues pour les envoyer vers les eaux usées de la ville. La structure
utilise l’énergie solaire pour chauffer les micro-algues afin d’optimiser leur
production de biogaz et de réduire la consommation d’électricité utilisée
pour chauffer les micro-algues. Cette expérience
permet de filtrer entre 1 et 1.000 tonnes de gaz carbonique(7).
La deuxième expérience est un prototype réalisé par SUEZ en
partenariat avec des start-up françaises (8). Elle s’organise en
plusieurs étapes qui aboutissent chacune à la création d’énergie verte.
La première étape consiste tout d’abord à capter le dioxyde de
carbone présent dans l’air. Pour cela, les chercheurs ont fabriqué un puit en
carbone éclairé par des diodes électroluminescentes ou par la lumière naturelle
du soleil. Les algues sont ensuite chauffées comme l’expérience précédente pour
obtenir des conditions propices à une forte production de biogaz. Une fois les
paramètres validés, les micro-algues peuvent absorber le dioxyde
de carbone En moyenne, pour 1 m³ de micro-algues, on
peut atteindre une absorption de 1,5 tonne de dioxyde de carbone par an.
La
deuxième étape consiste d’une part à évacuer les déchets produisent dans les
eaux usées de la ville et d’autre part à libérer l’oxygène produit par
photosynthèse.
Enfin,
la troisième étape se déroule dans les stations
d’épuration des eaux de la ville, étape traitée ultérieurement dans l’article.
Cette expérience permet d’une part de produire du biogaz et de l’autre, de la
biomasse réutilisable dans les stations d’épurations.
Ces deux expériences ont plusieurs avantages en commun : une production verte pour l’environnement, une rentabilité durable et écologique ainsi qu'une réponse contre la déforestation. Cependant la prolifération des algues dans les eaux de la ville et dans les mers est un problème important, peu anticipé par les entreprises. (pas de liens entre les deux phrases)
Les micro-algues sont en faveur du développement durable notamment
dans la dépollution les eaux usées, un problème important dans les grandes
métropoles.
Deuxième moyen : utiliser des micro-algues pour recycler les eaux
usées.
Les micro-algues connaissent un essor sans précédent depuis déjà
quelques décennies mais aujourd’hui il s’agirait de mettre à profit ces algues
dans le domaine de l’écologie et notamment dans les systèmes d’épuration. En
effet, la production algale dans les bassins d’eaux usées permet une filtration
et par la suite la récupération de ces biomasses.
Afin d’utiliser les micro-algues dans les meilleures conditions
possibles, des études ont été menées en amont pour comprendre leur métabolisme.
Il s’agit avant tout d’assimiler les effets des différents paramètres environnementaux.
C’est ainsi que Stengel en 1970, suivi par Fulks et Main en 1991 (9),
ont étudié les facteurs influençant la production des algues. Les résultats ont
permis de déterminer les conditions optimales de croissance, soit :
1.
un éclairement naturel ou artificiel
de 16 heures minimum par jour (9)
2.
une température optimale entre 15°C
et 25°C selon l’espèce (9)
3.
un pH compris entre 8,2 et 8,7 (9)
4.
la présence de nutriments comme
l’azote et le phosphore (9)
5.
la présence de dioxyde de carbone
(9)
6.
l’absence de consommateurs
herbivores notamment pour les algues de petites tailles, car ces organismes
peuvent provoquer la destruction de la culture (9).
Déterminer les conditions optimales
passe aussi par la localisation de l’emplacement des bassins d’épuration. Il a
été montré que le bassin doit être une zone ensoleillée, ainsi les zones
boisées sont à éviter. Il faut prendre en compte la nature du sol, c'est-à-dire
un milieu fertile plus propice au développement des algues. De plus, il est
utile de disposer d'une quantité en eau importante grâce à un fonctionnement en
circuit fermé par exemple. Il faut tenir compte de la profondeur de la
culture afin de limiter risques de désoxygénation sur le fond pour que les
micro-algues puissent recevoir lumière nécessaire à leur croissance (9).
A titre d’exemple, une station pilote en Italie possède des profondeurs
d’environ 0.3 mètre en été et 0.5 mètre en hiver (9). La technique
de production optimale serait une aération du milieu ainsi qu’un brassage
régulier pour une meilleure oxygénation et donc une stimulation des bactéries
aérobies. Cela accroit la concentration en dioxyde de carbone grâce à la
diffusion dans la couche et évite la sédimentation des micro-algues mais aussi
un échange de nutriments entre les algues et leur milieu. Cependant l’aération
nécessite une énergie de 0.5 à 1.04 kW/kg (9). De plus, la
performance de production varie avec le type de culture et le volume du bassin.
Il faut aussi prendre en compte les
contraintes liées aux conditions environnementales. En effet, l’élévation
de la température influence favorablement le développement des micro-algues. On
remarque une activité métabolique jusqu’à 2 fois plus élevée que quand la
culture est exposée à des faibles températures. La turbidité, teneur d'un fluide en matières, diminue la production
de cellules vivantes notamment provoquée par la remise en suspension des
particules ou par l’abondance de cellules vivantes, bactéries et algues
comprises.
Les conditions optimales de
croissance étant déterminées, il faut maintenant comprendre en quoi les
micro-algues servent à la dépollution des eaux.
Tout d’abord, on observe chez l’algue Scenedesmus (9-10)
par exemple, la production de substances qui sembleraient avoir une action
bactéricide. En effet, l’action antibactérienne des algues élimine les souches
pathogènes de l’environnement dans lequel elles vivent. L’interaction
algues-bactéries incite l’intervention des micro-algues dans les systèmes
d’épuration. A titre d’exemple, des études ont démontré que l’augmentation du
pH dû au métabolisme de la photosynthèse est défavorable à la prolifération de
bactéries. Ces dernières peuvent aussi souffrir d’une compétition nutritive
avec des macronutriments présents dans l’eau. A l’heure actuelle, ces
substances n’ont pas encore été déterminées avec précision mais il semblerait
que certaines, par la production d’acide gras, auraient un pouvoir vis-à-vis
des bactéries gram + et gram – quant à d’autres, elles auraient une action
antimicrobienne ou antibactérienne sur les micro-organismes présents dans les
bassins.
Le cycle des
micro-algues ne s’arrête pas à ce dernier point. Il est possible de les
récolter afin de les utiliser comme source d’énergie par exemple. On observe
que la récolte des biomasses est rendue complexe par la petite taille de
certaines micro-algues. Mais, ici encore, des études sont en cours pour trouver
des systèmes de récupération efficaces et peu onéreux. En attendant, les
récoltes de ces algues peuvent servir à
l’alimentation animale (9).
La production de bioénergie, à
partir du dioxyde de carbone atmosphérique, est une prouesse technologique.
L’utilisation de micro-algues a cependant un coût de production élevé pour de
faibles rendements et présente un risque pour l’écosystème. Jean Ziegler,
rapporteur sur le droit à l’alimentation, déclare à l’Organisation des Nation
Unies en octobre 2007 : « c’est un crime contre l’humanité qui est commis
lorsque l’on convertit un sol productif pour l’alimentation en terre à produire
du biocarburant ».
Webographie
1.
Sialve B.1, Steyer J-P. «Les micro-algues, promesses et défis». Laboratoire de
Biotechnologie de l’Environnement de INRA [en ligne]. Consulté en mars
2016. Disponible sur http://webcache.googleusercontent.com
2.
Johnson Xenie, Alric Jean. «Les micro-algues maîtrisent leur photosynthèse». Evolution&Diversité
biologique [en ligne]. Consulté en avril 2016. Disponible sur http://www.edb.ups-tlse.fr/Les-microalgues-maitrisent-leur
3.
Cadoret Corentin, Jan Batiste,
Lhomer Charley, Zawadzki. Le biocarburant avec des micro-algues : une
alternative aux biocarburants d’aujourd’hui ? Consulté le 17/04/2016.
Disponible sur https://issuu.com
4.
Agence spatiale européenne. «La culture de Spirulina en photobioreacteurs». Agence spatiale
européenne [en ligne] Consulté le 13/05/2016. Disponible sur http://ecls.esa.int
5.
Peltier Gilles. « Produire
des biocarburants à partir de micro- algues : quels enjeux pour la recherche ?».
Institut de Biologie Environnementale et Biotechnologie CEA, CNRS, Université́
Aix Marseille [en ligne]. Consulté en avril 2016. Disponible sur https://www.college-de-france.fr
6.
Wedemain rubique santé. « Des micro-algues au-dessus des routes, une nouvelle arme
anti-pollution ». Wedemain.fr
[en ligne]. Consulté le 17 avril 2016. Disponible sur http://www.wedemain.fr
7.
Association Genève, villes en
cultures. «CULTURE URBAINE GENÈVE». The Cloud Collective [en ligne]. Consulté le 10
mars 2016. Disponible sur http://thecloudcollective.org
8.
Lecomte Erwan. «Une colonne
d'algues pour purifier l'air de nos villes ».
Science et avenir [en ligne]. Consulté
en avril 2016. Disponible sur http://www.sciencesetavenir.fr
9.
Darbbidie Lionel. «CULTURES INTENSIVES DE MICROALGUES SUR LISIER DE PORC :
PERFORMANCES, CONTRAINTES, UTILISATION DES BIOMASSES». Ministère de
l’agriculture, école nationale supérieure agronomique de Montpellier [en webcache
et en ligne]. Consulté en mars 2016. Disponible sur http://webcache.googleusercontent.com
10.
J.de la Noue ; R. van Coillie ; L.
Brunei ; Y. Pouliot. «Traitement des
eaux usées par culture de micro-algues : influence de la composition du milieu
sur la croissance de Scenedesmus spp»
limnology-journal [en ligne]. Consulté le 30 mars 2016. Disponible sur http://www.limnology-journal.org