La saline de Sfax est un environnement thalasso halin (milieu salé alimenté par de l’eau de mer) riche en plancton malgré la contrainte du sel et l’intensité lumineuse élevée. Cette richesse est due à ses facteurs physico-chimiques particuliers. L’analyse STATICO a mis en évidence que l’azote et le phosphore peuvent influencer la distribution du phytoplancton en plus de la salinité qui domine dans ce milieu particulier. En se basant sur ce dernier paramètre, nous avons pu regrouper les espèces selon leur tolérance au sel. Afin de mieux comprendre le comportement du phytoplancton, trois espèces autotrophes Dunaliella salina (Chlorophycée), Cylindrotheca closterium (diatomée) et Phormidium versicolor Cyanophycée) ont été isolées, identifiées puis cultivées en batch dans de l’eau de mer artificielle sous trois niveaux d’éclairement et en présence de trois concentrations en NaCl. La croissance, l’activité photosynthétique ainsi que l’activité enzymatique anti-oxydante ont été mesurées. L’appareil photosynthétique de la Chlorophycée et de la cyanobactérie est moins affecté que celui de la diatomée qui est irréversiblement altéré aux forts éclairements et à la plus forte salinité; l’activité antioxydante n’a été détectée que sous l’éclairement le plus élevé et la synthèse des pigments caroténoïdes, qui sont des anti-oxydants non enzymatiques, est fortement activée surtout chez D.salina. La salinité et le niveau d’éclairement inter-réagissent sur la physiologie des trois espèces qui possèdent des mécanismes de résistance aux stress plus ou moins efficaces, d’où des résistances différentes aux contraintes du milieu selon les espèces. / The saltern of Sfax is a thalasso haline environment (salt medium supplied with sea water) plankton-rich despite the high salinity and the high light intensity. This richness is due to its physico-chemical characteristics. The STATICO analysis shows that nitrogen and phosphorus can influence the distribution of the phytoplankton in addition to salinity that dominates in this peculiar medium. Basing on this parameter, we could group the species according to their salt tolerance. To better understand the behavior of the phytoplankton, three autotrophic species Dunaliella salina (Chlorophyceae) Cylindrotheca closterium (diatom) and Phormidiumversicolor (Cyanophycea) were isolated, identified and grown in batch in artificialseawater in the presence of three NaCI concentrations and under three irradiations. Growth, photosynthesis and antioxidant enzyme activity were measured. The photosynthetic apparatus of the Chlorophyceae and the cyanobacteriumwas less affected than the diatom’s one that was irreversibly altered under high illumination and the highest salinity ; the antioxidant activity was only detected in cells grown under the highest irradiance and the synthesis of carotenoid pigments, that are non-enzymatic antioxidants,was strongly activated especially in D.salina. Salinity and light inter-reacted on the physiology of the three species that possess resistance mechanisms to stresses more or less effective, resulting in different resistance to environmental stresses depending on species.

Algae are a promising new source of oil for biodiesel. They are aquatic organisms that do not require cropland, and they can produce many useful side-products for bioenergy, aquaculture, and nutraceutical production. To be cost-effective, algae need high and reliable oil productivities; however, there is still a great deal to learn about the effects of culturing conditions on algae growth rates and lipid production. These culturing conditions include light intensity, gas flow, use of CO₂, and culture volume. An extensive database of published research on algae growth rates and lipid contents under a wide variety of environmental conditions was prepared. By graphing data from 116 publications on 132 microalgae species, several key trends were identified relating to culturing parameters and algae biomass and lipid production. In addition, data from 131 publications on 128 microalgae species were graphed to look at presence of flagella, nutrient limitation, lipid productivity, and productivity tradeoffs. Moreover, cell size information was gathered for 146 species. The interactions between culture variables are complex, so it is difficult to quantify the degree to which each culture variable affects algae growth rates and lipid production. Therefore, several multivariate analyses were performed to generate a set of general and simple predictive models to assess specific growth rates, maximum lipid contents, and volumetric lipid productivities. These models were used to determine which culture parameters were significant predictors of algae growth rates and lipid production, and the contribution of each environmental parameter was quantified. In addition to models for algae in general, genera specific models were prepared for Chlorella, Isochrysis, Nannochloropsis, Phaeodactylum, and Tetraselmis. These models show high predictive capabilities, and they greatly extend the range of species-specific multiple regression models available. Furthermore, one Tetraselmis model was validated using Tetraselmis impellucida growth experiments in a large novel photobioreactor.

Les mécanismes de détermination génétique du sexe, qui requièrent la présence de régions chromosomiques non recombinantes ou bien de chromosomes sexuels, ont émergé de manière indépendante et répétée au sein de plusieurs lignées d'eucaryotes. La plupart des connaissances acquises dans ce domaine portent sur un nombre limité de groupes d'eucaryotes. La disponibilité d'une espèce modèle pour le groupe des algues brunes, Ectocarpus siliculosus, dont le génome a été séquencé, permet de disposer des outils nécessaires pour étudier ces mécanismes au sein d'une lignée phylogénétiquement éloignée des modèles classiquement étudiés. L'un des premiers défis a été d'identifier les chromosomes sexuels dans le génome d'E. siliculosus et de réaliser l'analyse comparative de ces structures. Par la suite, l'analyse de l'expression des gènes entre individus mâles et femelles à différents stades du cycle de vie a permis d'identifier les gènes différentiellement exprimés, de caractériser leurs fonctions et d'analyser leur évolution moléculaire. Les nombreuses données générées afin de réaliser ces différentes analyses ont permis de proposer une nouvelle version de l'assemblage du génome et de l'annotation structurale et fonctionnelle de l'ensemble des gènes codants et non-codants d'E. siliculosus. Ces différents travaux ont permis d'apporter une importante contribution sur les connaissances dans le domaine de l'analyse fonctionnelle et évolutive du déterminisme sexuel chez les algues brunes ainsi qu'une importante actualisation des ressources génomiques du modèle Ectocarpus. / Genetically determined sex determination mechanisms, which are controlled by non-recombinant chromosome regions or sex chromosomes, have emerged independently and repeatedly across several eukaryotic lineages. Most of the knowledge acquired in this area has been obtained for a limited number of eukaryotic groups. The availability of a model organism for the brown algae, Ectocarpus, whose genome has been sequenced, allows the development of tools to study these mechanisms in a lineage that is phylogenetically distant from classically studied models. One of the first challenges was to identify the sex chromosomes in Ectocarpus and to carry out a comparative analysis of these genomic structures. Analysis of gene expression in males and females at different stages of the life cycle then allowed the identification of differentially expressed genes. The functions and molecular evolution of these sex-biased genes was then studied. The large amount of data generated during the course of these analyses allowed the establishment of a new version of the genome assembly and refined structural and functional annotation of both coding and non-coding genes in Ectocarpus. This work helped made a significant contribution to knowledge in the field of functional and evolutionary analysis of sex determination in brown algae and a significantly updated the genomic resources available for the model organism Ectocarpus.

Phytoplankton growth is iron limited in at least 20% of the world’s oceans. Iron is an important nutrient required to synthesise enzymes necessary for photosynthesis, respiration, and nitrogen assimilation. Due to its low solubility in seawater, iron limitation of phytoplankton production has been the focus of much recent research. These organisms secrete ligands in order to solubilise the available iron, but not all of the iron dissolved in seawater is biologically available. In this study a molecular based approach was employed to investigate the acclimation of the marine haptophyte Coccolithus pelagicus to iron limitation. Using two dimensional electrophoresis, subtractive cDNA hybridisation, and RT real time PCR, changes in the proteome and in gene expression were examined. Iron limited cells were characterised by slower specific growth rates, lower chlorophyll a concentrations per unit biomass and less extensive calcification relative to iron replete cells. Addition of iron to iron limited cultures resulted in increased specific growth rates and increased chlorophyll a concentration per unit biomass. A subtracted cDNA library revealed seventeen identifiable sequences of which photosystem I protein E (PsaE), a fucoxanthin binding protein transcript, two chlorophyll binding proteins and a predicted membrane protein were shown to be up-regulated in iron-limited cells to varying extents. Two dimensional SDS PAGE revealed 11 differentially expressed proteins in iron limited cells and 1 highly expressed protein exclusive to iron replete cells. The potential utility of each of these as biomarkers of iron-limitation/iron sufficiency for natural populations of coccolithophorids like Coccolithus pelagicus is discussed.

Ces travaux de thèse CIFRE, réalisés au sein du Laboratoire de Biotechnologie et Chimie Marines de l’Université de Bretagne-Sud et du Groupe Olmix, s’inscrivent dans le cadre d’un projet national de valorisation de biomasses d’algues vertes, le projet ULVANS. Ce projet est le fruit d’une collaboration entre cinq industriels bretons et deux laboratoires universitaires. Les objectifs de ces travaux de thèse concernent i) la caractérisation approfondie de la matière première, en particulier des polysaccharides matriciels solubles (ulvanes) et des protéines, ii) la mise au point d’un procédé d’extraction assistée par enzymes des métabolites algaux, iii) la caractérisation biochimique et moléculaire des hydrolysats enzymatiques, avec pour objectif la compréhension de l’effet des enzymes commerciales sur les algues, iv) l’évaluation des activités antioxydantes et antivirales des hydrolysats, v) l’étude de l’influence des paramètres d’hydrolyse en vue de déterminer les conditions optimales pour l’extraction des métabolites d’intérêt et enfin vi) de conclure, à partir des éléments fournis par l’étude, sur la viabilité d’un tel procédé à l’échelle industrielle. En conclusion de ces travaux, l’hydrolyse enzymatique apparait comme un procédé intéressant pour le bioraffinage des algues vertes. Bien que les préparations enzymatiques commerciales utilisées ne soient pas spécifiques des composés algaux, les protéases ont conduit à une augmentation significative des rendements d’extraction, alors que l’effet des carbohydrases reste modéré. L’étude de l’influence des paramètres d’hydrolyses a confirmé les résultats préliminaires et montré que la température, la concentration d’enzyme et la méthode de broyage présentaient peu d’effets sur les activités des protéases testées. Un résultat majeur de cette étude aura été la mise en évidence d’activités anti-herpétiques dans les hydrolysats. La caractérisation des fractions actives a montré que les activités étaient liées à la présence de protéines ou glycoprotéines dans les extraits. Ce résultat présente un intérêt majeur car à l’heure actuelle, a priori, aucune activité de ce type n’a été identifiée chez Ulva sp. / This PhD Thesis works, conducted in the Laboratoire de Biotechnologie et Chimie Marines of the Université de Bretagne-Sud and in the Olmix Group, was included in a national project for the upgrading of green seaweed biomasses, the Ulvans project. This project results in the collaboration of five industrial companies and two academic research laboratories. The objectives of this thesis works had been i) the characterization of the raw material, particularly the soluble matrix polysaccharides (ulvans) and proteins, ii) the development of an enzyme-assisted extraction process of algal metabolites, iii) the biochemical and molecular characterization of the enzymatic hydrolyzates, with the aim of understanding the effect of enzymes on algae thallus, iv) the screening of antioxidant and antiviral activities of hydrolyzates, v) the study of the influence of hydrolysis parameters to determine the optimum conditions for the extraction of metabolites of interest and finally vi) to conclude, according to the results provided by this study, on the viability of the industrial upscaling of the process. In conclusion of this work, enzymatic hydrolysis appeared to be an effective process for biorefinery of green seaweeds. Although commercial enzymatic preparations were not specific of algal compounds, protéases led to a significant increase in the extraction yields, whereas the effect of carbohydrases were moderate. The study of hydrolysis parameters confirmed the preliminary results and showed that the temperature, the concentration of enzyme and the grinding method had no effect on the protease used. A major result of this study has been the highlighting of anti-oxidant and anti-herpetic compounds in hydrolyzates. The antiviral activity of ulvans had several times been demonstrated but the biochemical characterization of actives fractions showed that the activity could be associated to proteins or glycoproteins. This result is very interesting because, a priori, any antiviral activity has also been related to this type of compounds in Ulva sp.

Les mutations sont la principale source de diversité sur laquelle agit la sélection pour permettre aux espèces de s'adapter. Les études de l'effet des mutations sur la survie et du taux de mutation sont donc essentielles pour mieux comprendre l'évolution. Par une approche d'expérience d'accumulation de mutations, nous étudions ces deux questions chez cinq modèles d'algues vertes (Ostreococcus tauri, O. mediterraneus, Bathycoccus prasinos, Micromonas pusilla, et Picochlorum RCC4223). Il est mis en évidence une diminution de la fitness au cours du temps en raison des mutations délétères, et une importante interaction génotype-environnement sur l'effet des mutations. Le taux de mutation varie aux échelles intra-génomique et inter-spécifique, avec deux principaux résultats: une augmentation du taux de mutation dans les régions non codantes et une augmentation du taux de mutation avec la taille du génome chez les eucaryotes et en fonction de l'écart à l'équilibre en GC du génome. Aussi, l'assemblage et l'annotation d'une picoalgue du genre Picochlorum permettent d'étudier le rôle des transferts horizontaux de gènes chez les Chlorophytes. / Mutations are the main source of diversity on which selection acts to allow species to adapt. Studies of the effect of mutations on survival and estimation of spontaneous mutation rates are essential to better understand evolution. Using mutation accumulation experimental approach, we investigated the issues of mutation effects and mutation rate in five models of green algae (Ostreococcus tauri, O. mediterraneus, Bathycoccus Prasinos, Micromonas pusilla, and Picochlorum RCC4223). It highlighted a decline in fitness over time because of deleterious mutations, and a significant genotype-environment interaction on the fitness effect of mutations. The mutation rate varies at inter-specific and intra-genomic scales, with two main results: a raise of the mutation rate in non-coding regions in accordance with trancriptional-coupled repair, and an increase of the mutation rate with an increase of the genome size in eukaryotes and the GC content deviation from the equilibrium. Also, a new Picochlorum genome is provided to investigate the role of horizontal gene transfer in the Chlorophyta group.

Microbes, living on the boundary between the sediment and the water-column in lakes, can play a pivotal role in governing the magnitude and frequency of nutrient cycling. The purpose of this research was to focus on the role of benthic microalgae in regulating such processes and to identify spatial and temporal characteristics in their function. Approaches included the quantification of sediment nutrient concentrations (particularly P fractionation), estimates of equilibrium phosphate concentrations (EPC0) (resuspended and undisturbed sediment estimates), and assessment of the benthic microalgal community composition, biostabilisation capacity, and its ability to regulate diffusive-nutrient flux. This thesis highlighted the importance of biological regulation of benthic/pelagic nutrient cycling, especially the role of benthic microautotrophs. Release sensitive sediment-P fractions were observed to be highly variable (both with depth and season) and correlated well with indicators of benthic photosynthesis (e.g. DO, chlorophyll, pH). Understanding the seasonality of whole-system P partitioning can enhance future lake management programmes. EPC0 estimates were significantly higher during undisturbed as opposed to disturbed sediment conditions. Epipelon constituted < 17 % of the total sediment chlorophyll signal and was highest in the clearer winter months and at intermediate depths at which a trade off between wind-induced habitat disturbance and light limitation existed. In intact core experiments, the benthic microalgal community significantly reduced the diffusive nutrient (especially PO₄-P and SiO₂) flux. NH₄ -N release was highest under light conditions at high temperatures. The mechanisms for regulation included direct uptake, photosynthetic oxygenation of the sediment surface, and regulation of nitrification/denitrification processes. Sediment stability increased with colloidal carbohydrate concentration (extruded by benthic microbes) at 4.1 m water-depth but not at 2.1 m overlying water depth, probably indicating the role of habitat disturbance in shallow areas acting to reduce epipelic production. Additionally, in an ecosystem comparison, the nature and extent of the biotic mediation of sediment stability varied between freshwater and estuarine ecosystems.

La présente thèse porte sur des travaux expérimentaux et de modélisation visant à étudier les processus bactériens et algaux au sein d’une lagune a haut rendement algal (HRAP). Un système pilote HRAP a été construit et les impacts des différentes conditions opérationnelles sur l’hydrodynamique et le transfert gaz/liquide du pilote ont été étudiés. De plus, le rapport d'inoculation optimal entre les algues et les bactéries (Al-Bac) a également été étudié. La biomasse Al-Bac a ensuite été inoculée dans le système HRAP pour une évaluation à long terme du traitement des eaux usées et de la récupération des nutriments. Le HRAP dans cette étude peut être appliqué en traitement secondaire de eaux usées ou comme étape primaire éliminant rapidement les charges élevées de DCO et de TKN des retour en tête de digesteurs anaérobies (centrats). Les résultats expérimentaux obtenus ont également été utilisés pour calibrer et valider des modèles de type « boîte noire » et mécanistes. Les deux modèles peuvent décrire le fonctionnement à long terme du système. Le premier permet ainsi d'évaluer rapidement les performances du système ainsi que de le dimensionner, tandis que le second simule avec succès les résultats à long (général) et à court (détaillé) terme. L'étape suivante devrait être l'application du système à grande échelle. / The thesis focused on both experimental and modeling works aiming to investigate the algal bacterial processes in High-Rate Algal Pond (HRAP) system. A pilot HRAP system was built and the impacts of different operational conditions on hydraulic and gas transfer rate of the pilot were investigated. Moreover, optimal inoculation ratio between algae and bacteria (Al-Bac) was also studied. The Al-Bac biomass was theninoculated in the HRAP system for long term assessment of wastewater treatment and nutrient recovery. The HRAP in this study can be applied for secondary treatment application or as a primary step removing rapidly high loads of COD and TKN from centrate wastewater. Experimental results obtained were also employed in calibrating and validating black box and comprehensive algal bacterial models. Both models coulddescribe the system in long term. The former was adequate for giving quick assessment of the system performance as well as sizing application while the latter successfully simulated the results both in long (general) and short (detailed) time scale. A next step should be applying the system in large scale.

Les bétaïne lipides (BL) sont des lipides polaires qui se distinguent des phospholipides (PL)par l’absence de phosphore (P). La réorientation métabolique induite par une limitation en P chez des microalgues produisant des BL (Tisochrysis lutea et Diacronema lutheri, Haptophytes) ou en produisant peu (Phaeodactylum tricornutum, Bacillariophyte) a été comparée à celle induite par une limitation en azote (N). Le devenir et le flux de carbone dans différentes voies de biosynthèse ont été étudiés par une approche pluridisciplinaire.La limitation nutritive en P ou en N affecte différemment le métabolisme du carbone selon les espèces microalgales. La limitation en P réduit fortement l’activité photosynthétique et la respiration chez P. tricornutum et T. lutea. Par conséquent, l’accumulation de carbone est plus élevée que sous limitation en N chez ces deux espèces. Les deux limitations stimulent en particulier la synthèse des lipides neutres et / ou des glucides. Le remplacement des PL par les BL a été observé chez P. tricornutum en condition de limitation en P. Ce résultat est en accord avec une augmentation de la transcription du gène codant la bétaïne lipide synthase. En revanche, cette limitation ne modifie pas les teneurs en BL rapportées au carbone chez T. lutea et D. lutheri. La composition en acides gras des différentes classes lipidiques est modifiée selon l’espèce microalgale et l’élément nutritif limitant. Une attention particulière a été portée aux acides gras de la série oméga-3, notamment l’acide eicosapentaénoïque (EPA, 20:5 ω3) et l’acide docosahexaénoïque (DHA, 22:6 ω3) dont les proportions varient en fonction de l’élément limitant,de l’espèce et de la classe lipidique. L’augmentation de la production des lipides neutres et / ou des lipides polaires, notamment des bétaïne lipides, riches en DHA et/ou EPA induite par un stress nutritif laisse envisager une valorisation de ces molécules d’intérêt dans différents domaines dont la nutrition et la santé. / Betaine lipids (BL) are P-free polar lipids, conversely to phospholipids (PL). The metabolic reorientation induced by phosphorus (P) limitation in microalgae producing BL (Tisochrysis lutea and Diacronema lutheri, Haptophyta) or producing low levels of BL (Phaeodactylum tricornutum, Bacillariophyta) was compared to that induced by nitrogen (N) limitation. The carbon destiny and flow in different biosynthetic pathways were studied with a multidisciplinary approach. P or N limitation differently affected carbon metabolism according to microalgal species. P limitation highly decreased photosynthetic activity and respiration of P. tricornutum and T. lutea. Consequently, carbon accumulation was higher than under N limitation in these two species. Both limitations stimulated the synthesis of neutral lipids and / or carbohydrates. Replacement of PL by BL was observed in P. tricornutum under P limitation. This result is in agreement with a transcription increase of the gene encoding BL synthase. On the other hand, this limitation did not modify BL contents in reference with carbon in T. lutea or D. lutheri. Fatty acid composition of the different lipid classes was modified according to the microalgal species and the limiting nutrient. Particular attention was paid to the fatty acids of the omega-3 series, notably eicosapentaenoic acid (EPA, 20:5 ω3) and docosahexaenoic acid (DHA, 22:6 ω3), the proportions of which vary according to the limiting element, species and lipid class. The increase in the production of neutral lipids and / or polar lipids, especially betaine lipids, rich in DHA and / or EPA induced by nutritive stress suggests a valorization of these molecules of interest in various areas including nutrition and health.

"Adelaide, Dec. 1959." / Includes bibliographical references. / 1 v. (various pagings) : / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / The studies included in this thesis have been carried out since 1946 in the Department of Botany, University of Adelaide. The 25 papers, reprints from various journals, have been grouped in two sections; firstly those on intertidal ecology; secondly taxonomic studies (in order of publication). One paper on a freshwater Charophyte is also included. / Thesis (D.Sc.)--University of Adelaide, Dept. of Botany, 1959