L’utilisation des microalgues dans les filières bioénergies est une thématique qui connait un développement remarquable ces dernières années. Si dans une perspective d’exploitation de masse, elles permettent de répondre plus favorablement aux contraintes qui pèsent sur l’exploitation des biocarburants de première et de deuxième génération, elles se heurtent également à la question de la demande en éléments nutritifs mais aussi à un bilan énergétique défavorable. En conséquence, il apparait difficile de répondre à une exigence de durabilité attendue pour ce nouveau gisement. Ce travail de thèse s’est intéressé à une solution permettant à la fois de recycler les éléments nutritifs présents dans la biomasse et de fournir de l’énergie au système de production voire de transformation : la digestion anaérobie. Les travaux se sont particulièrement focalisés sur l’intégration de la production de microalgues et de la méthanisation au travers de la conversion énergétique de cette biomasse et de la mobilisation des éléments nutritifs vers la culture à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. Après avoir identifié les contraintes associées à la biodégradabilité anaérobie des microalgues et les stratégies d’optimisation, nous avons mis en évidence que le potentiel énergétique est contraint par la qualité propre des cellules et une capacité de résistance à la dégradation biologique. L’application de stratégies d’optimisation de cette étape de conversion via l’utilisation de prétraitement thermique a montré qu’il est possible d’augmenter les rendements de production d’énergie et d’éléments minéraux mobilisables vers la culture. L’utilisation d’un écosystème naturel microalgue-bactérie destiné à la production en milieu ouvert et qui utilise un digestat synthétique comme milieu de culture a révélé le rôle déterminant de la flore bactérienne associée en interaction avec les microalgues. Ces résultats ont été évalués dans un système de production à l’échelle pilote préindustrielle en conditions extérieures, conçu et opéré spécifiquement pour répondre à cette problématique. Les caractéristiques propres du bassin de culture déterminent le comportement hydrodynamique du milieu et le comportement physique et écologique de la population phytoplanctonique mobilisée. L’étude de la dynamique des communautés microbiennes, eucaryotes et procaryotes, confirme le potentiel de résilience et de production d’un écosystème complexe soumis aux contraintes de son environnement. Les résultats de ces travaux ouvrent des perspectives de gestion et d’optimisation des procédés intégrant l’algoculture et la méthanisation qui peuvent répondre plus largement à des problématiques environnementales et de production de molécules d’intérêt au-delà des filières énergétiques. / In recent years, there has been an explosion of interest in the use of microalgae as a source of bioenergy. Mass cultivation of microalgae for bioenergy production promises several advantages compared to first and second generation biofuels. However, similar difficulties in terms of nutrient requirements and an unfavourable energy balance are faced. As a consequence, achieving the sustainable levels of microalgal culture required to implement this strategy in the longer term appears problematic. The work presented in this thesis focuses on anaerobic digestion; a solution which allows both recycling of nutrients and supply of energy to the production and downstream processes. In particular, the studies presented here have been directed towards the integration of microalgal culture and methanisation, at both the laboratory and pilot scale. The guiding principle used is conversion of biomass and provision of nutrients to the culture. We first identified the constraints and potential strategies associated with the aerobic biodegradability of microalgae. Next, we demonstrated that the energetic potential of cells is limited by their quality as well as their level of resistance to biological degradation. We have shown that it is possible to optimise the conversion step, increasing energy yields and nutrient mineralisation via a strategy of thermal pretreatment The use of a natural microalgae-bacteria ecosystem which uses a synthetic digestate as culture media, revealed a key role for bacterial flora interacting with microalgae. These results were further tested in a pilot-level production system specifically designed to address these questions. The evidence suggests that the characteristics of the culture pond determine both the hydrodynamic behaviour of the culture and the physical and ecological behaviour of the phytoplanktonic population. A study of the dynamics of the microbial, eukaryotic and prokaryotic communities suggests the presence of a resilient and complex ecosystem, which is influenced by variations in its environment. The results of this work provide opportunities for management and optimisation of processes integrating microalgae cultivation and methanisation beyond bioenergy production, for example liquid wastes treatment and production of high-value byproducts.

Notre travail est une recherche originale qui apporte à la géographie des littoraux et de la mer un nouvel exemple d’étude. Nous proposons d’analyser les dynamiques spatiales et économiques d’une aquaculture singulière : l’algoculture. La culture des algues est un domaine significatif de la géographie littorale comme de la géographie des ressources alimentaires et énergétiques. Nous avons identifié à plusieurs échelles les territoires productifs et aménagés de l’algoculture des macro-algues comme des micro-algues. Pour mener ce projet de recherche, nous avons choisi trois pays : le territoire chinois qui est le premier producteur de macro-algues, le territoire français qui adapte sa production traditionnelle à une nouvelle demande commerciale et industrielle et le territoire des États-Unis qui connaît le plus d’innovations dans le domaine des micro-algues. Cette thèse a une démarche transversale et prospective et s’appuie sur plusieurs méthodes de recherche : relevés de terrain sur des sites de production, entretiens avec les acteurs, chercheurs, distributeurs, recherche bibliographique à la croisée des sciences biologiques et humaines. Cette étude des cultures, des territoires et des enjeux de l’algoculture progresse en trois étapes : tout d’abord la présentation de l’algoculture (macro et micro-algue) dans sa production globale et régionale avec les modes de production et les valorisations, puis l’analyse des filières algacoles en montrant leurs aménagements locaux et l’investissement des acteurs territoriaux dans les territoires de référence ; enfin les algues sont une ressource qui participent à des enjeux énergétiques, environnementaux et alimentaires du XXIe siècle. / Our work is an original research that brings a new study example to the geography of sea and coastlines. We propose to describe and analyze the spatial and economic dynamics of a singular type of aquaculture: seaweed farming. Seaweed farming is a significant research area in coastal geography as well as in the geography of food and energy. We sought to identify the different scales of territories organized for the production of both macro- and microalgae. To conduct this research, we chose three study countries : China, the largest producer of macroalgae, France, where traditional production is being adapted to a new commercial and industrial demand, and finally the United States, where most innovations in the field of microalgae are made. This thesis has a cross- and forward-looking approach and is based on different research methods: field surveys on production sites, interviews with stakeholders, researchers, and distributors, bibliographic research at the intersection of the biological and social sciences. The study of crops, territories and issues of seaweed farming progresses along a three-step analysis: first, the presentation of algae farming (macro and microalgae) in its global and regional production with the production methods, second the analysis of the algae value chains, showing the development of local equipment and installations, and the investment of authorities in the territories of reference. Finally, we explore algae as a resource involved in energy, environmental and food issues of the twenty-first century.