Les crises combinées du pétrole, de la biodiversité et des changements climatiques, exigeant, entre autres, la réduction de l'usage des carburants fossiles, font du développement d'énergies alternatives un enjeu majeur. Si bien que l'éthanol, dont la production mondiale a atteint plus de 65 milliards de litres en 2008, constitue désormais un élément clé de la stratégie énergétique de nombreux pays, et que le Canada et les États-Unis (ÉU) le présentent même pour limiter les changements climatiques. Essentiellement dérivées du maïs, les productions d'éthanol aux ÉU premier producteur mondial de carburants végétaux -étaient d'environ 34 milliards de Iitres en 2008 comparées à 900 millions de litres au Canada. Certes, bien que la production de carburants végétaux, ne représente qu'environ 1% de l'ensemble des carburants liquides destinés aux transports dans le monde, elle est néanmoins de plus en plus sujette à controverse. L'aggravation de la crise alimentaire mondiale remet en effet en question cette filière énergivore reposant essentiellement sur des cultures agricoles, notamment le maïs, destinées initialement à l'alimentation. Cette controverse socio-environnementale contribue d'ailleurs au développement d'une 2ième génération de carburants végétaux, dérivée de la cellulose végétale, à qui on promet un avenir bien meilleur, alors que rien n'est moins sûr. La transformation croissante des ressources végétales en énergie destinée aux transports devrait exiger une évaluation approfondie de leurs impacts socio-environnementaux. Or, très peu d'études permettent de dégager un portrait global des carburants végétaux de 1ère génération déjà en production, et de ceux de 2ième génération, toujours en développement. En outre, les plus récents projets de loi au Canada (C-33) et aux ÉU (le US Energy Bill de 2007) favorisent davantage encore le déploiement de ces filières en permettant d'imposer des taux minimums d'éthanol dans l'essence au Canada et en fixant des objectifs nationaux de production (estimés aux É-U à 136 milliards de litres de carburants renouvelables en 2022). Dans ce contexle, ce mémoire vise à analyser dans quelle mesure les carburants végétaux peuvent être considérés, en partie ou en totalité, comme des alternatives viables aux carburants fossiles. Pour ce faire, nous examinerons notamment les impacts socio-environnementaux des carburants végétaux de 1ère et de 2ième génération, à travers les études de cas spécifiques de l'éthanol-maïs et de l'éthanol cellulosique principalement issu de la paille de maïs, deux productions largement développées ou en développement aux ÉU et au Canada. Ce travail de recherche et d'analyse s'appuie sur une importante revue de littérature scientifique, permettant d'appréhender dans toute sa complexité l'évolution des carburants végétaux et notamment la transition amorcée vers ceux de 2ième génération. Comme nous le verrons au fil du texte, la production et l'usage d'éthanol-maïs ont des conséquences socio-environnementales majeures, tant sur la qualité des sols, de l'eau et de l'air, qu'au plan de la biodiversité et de la sécurité énergétique et alimentaire, et elles présentent donc plus de désavantages que de bénéfices. Quant à l'option cellulosique, centrée sur le développement de cultivars à plus fort ratio celulose/lignine et de microorganismes permettant la transformation de la cellulose en éthanol, elle présente autant sinon plus de risques notamment en termes de baisse de productivité des sols agricoles et de risques de contamination génétique des autres variétés végétales naturelles et cultivées. Dans la mesure où ce recours aux carburants végétaux s'inscrit dans une optique incrémentale, modifiant à la marge un aspect relativement mineur de la complexe question de la croissance du transport routier et d'un parc automobile nord-américain particulièrement énergivore, il est fort risqué que l'emballement pour l'option cellulosique accélère sa mise en marché avant que toutes les évaluations requises n'aient été faites, au risque alors de conséquences inattendues, mais aussi importantes que les problèmes qu'on a voulu ainsi éviter ou résoudre. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Biocarburant, Carburants végétaux, Éthanol-maïs, Éthanol cellulosique, Paille de maïs, Sécurité alimentaire, Sécurité énergétique.

Le réchauffement global du climat serait attribuable majoritairement aux émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère par les activités humaines comme la combustion des combustibles fossiles, la déforestation et les activités agricoles. Les biocarburants, des combustibles renouvelables et capables de mitiger les émissions de gaz à effet de serre, pourraient réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et aider à la lutte contre les changements climatiques. De plus, l'implantation de systèmes de culture intercalaire (SCI) serait une alternative de choix permettant de revaloriser les terres marginales québécoises et restaurer une partie de leur fertilité originelle, ce qui permettrait de faire pousser les cultures de biocarburants sans faire compétition aux cultures nourricières déjà présentes sur les terres agricoles fertiles. Le présent travail s'inscrit donc au sein d'un réseau de chercheurs pan-canadien, le réseau des cultures vertes, afin de déterminer les rendements potentiels d'une culture de canola pour la production de biocarburants sur des terres marginales et d'évaluer l'impact de cette culture sur les émissions d'oxyde nitreux, un puissant gaz à effet de serre. Nous avons démontré au premier chapitre que la culture de biocarburants sur les terres marginales québécoises est possible avec l'implantation de systèmes de culture intercalaire, que ces systèmes peuvent mitiger les émissions d'oxyde nitreux des terres agricoles et que certains cultivars de canola performants peuvent aussi accroître les émissions d'oxyde nitreux. Dans le second chapitre, nous avons trouvé une tendance vers des rendements supérieurs et des besoins nutritionnels inférieurs pour les biocarburants de deuxième génération en comparaison avec ceux de la première génération et nous avons estimé que la substitution du tiers de notre consommation de combustibles fossiles serait réalisable avec 10 % des terres agricoles mondiales ainsi que les terres marginales par la production de biocarburants.

L’océan domine la surface de notre planète et joue un rôle majeur dans la régulation de notre biosphère. Par exemple, les microorganismes photosynthétiques vivant dans l’océan produisent 50% de l’oxygène que nous respirons tous les ans, et une grande partie de notre alimentation et des ressources minérales en proviennent. En cette époque de crise écologique liée à l’accumulation anthropogénique de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, il est impératif de développer des énergies plus durables que les carburants fossiles. Le biodiesel pourrait être une source de carburant viable et durable pour remplacer le pétrodiesel mais jusque-là, nos efforts visant à produire des lipides à base de microalgues se sont essentiellement concentrés sur des algues vertes. Dans cette thèse je propose des méthodes pour mieux caractériser une autre catégorie de microalgue : les diatomées. Les diatomées sont une composante importante du phytoplancton et contribuent 40% de la production marine de biomasse primaire. Les diatomées accumulent des lipides en réponse à la carence en nutriments, et même si elles semblent accumuler tout autant de lipides que les microalgues vertes, les voies métaboliques menant à l’accumulation de lipides sont encore peu connues.Dans cette thèse je décris notre caractérisation du glycerolipidome de la diatomée modèle Phaeodactylum tricornutum ainsi que notre étude du remodelage de lipides suite à la carence d’azote ou de phosphate. Des accessions de P. tricornutum isolées dans différentes régions de l’océan ont aussi été étudiées afin de comparer leurs réponses au stress nutritif. Nous avons trouvé que la réponse métabolique menant à l’accumulation de lipides en carence d’azote ou de phosphate est différente. En effet, la carence en azote semble déclencher le recyclage des galactoglycerolipides chloroplastiques ainsi qu’une augmentation de la biosynthèse de novo d’acides gras, alors que la carence en phosphate est plus sévère car nous avons observé une accumulation plus significative de triacylglycerols ainsi que la déplétion totale des phospholipides. De plus, nous avons observé des réponses au stress différentes entre les accessions de P. tricornutum, et en particulier concernant leur capacité à accumuler des lipides. Nous proposons l’hypothèse que ces différences sont liées à leur aptitude à recycler du carbone issu de molécules de stockage non lipidiques.Des approches génomiques ont permis de nombreuses avancées pour mieux comprendre le métabolisme des lipides de microalgues mais notre compréhension des voies de biosynthèse de lipides chez les diatomées est encore limitée. Il y a eu diverses tentatives de caractérisation de la réponse au stress de carence par approche transcriptomique mais l’étude de ces données est incomplète du fait de l’annotation insuffisante des gènes encodant les voies métaboliques pertinentes. Ainsi, dans cette thèse je décris nos tentatives d’annotation de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de P. tricornutum ainsi que les approches d’ingénierie génétique visant à mieux caractériser certains de ces gènes. J’ai également utilisé notre nouvelle annotation de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides pour effectuer une étude comparative de plusieurs transcriptomes de P. tricornutum en conditions de carence trouvés dans la littérature. J’ai ainsi pu produire une liste de gènes potentiellement impliqués dans l’accumulation de lipides. Enfin, nous avons pu utiliser ces données pour aider l’interprétation de données génomiques et transcriptomiques issues de la diatomée oléagineuse Fistulifera solaris afin de mieux comprendre comment elle accumule des quantités importantes de lipides pour des applications dans le secteur des biotechnologies et des bioénergies. / The ocean dominates the surface of our planet and plays a major role in regulating the biosphere. For example, the microscopic photosynthetic organisms living in the ocean provide 50% of the oxygen we breathe every year, and much of our food and mineral resources are extracted from the ocean. In a time of ecological crisis linked to the accumulation of anthropogenic greenhouse gases in the atmosphere, we must investigate more sustainable energies than fossil fuels. Much attention has been given to biodiesel but so far most efforts to efficiently produce triacylglycerols in microalgae have focused on green algae. In this thesis I propose approaches to better understand another type of microalgae that is significantly divergent from green lineages: diatoms. Diatoms are a major phylum of phytoplankton in the ocean and account for 40% of marine primary productivity. While diatoms appear to be at least as effective as green algae for producing lipids, the fatty acid and glycerolipid biosynthetic pathways leading to their production have not yet been well characterized. Therefore, I propose to better characterize these pathways in the model diatom Phaeodactylum tricornutum in order to help unlock the potential of diatoms for lipid-based biotechnological applications.In this thesis, I discuss our attempts to establish a reference for the glycerolipidome of P. tricornutum and of our assessment of the lipid remodeling and accumulation that occurs in response to nitrogen- and phosphorus-starvation. A range of accessions of P. tricornutum isolated from different parts of the ocean were also examined to compare their responses to nutrient deprivation. We found that the metabolic response leading to lipid accumulation in different nutrient-deprived conditions are distinct. Nitrogen-deprivation appears to trigger the recycling of chloroplastic galactoglycerolipids as well as a strong increase in de novo fatty acid synthesis while the response to phosphorus-deprivation was more severe as we observed a higher triacylglycerol pool and the complete depletion of phospholipids. Furthermore, we observed several differences among accessions of P. tricornutum regarding their ability to accumulate triacylglycerol in response to nutrient starvation and propose the hypothesis that these differences are linked to their ability to recycle intracellular carbon from non-lipid storage molecules.Genome-enabled approaches have also allowed significant steps towards elucidating the lipid metabolism of microalgae in the past decade, but our understanding of diatom metabolic pathways is still limited compared to that of other microalgae and higher plants. There have been several attempts to characterize the stress response in P. tricornutum by using transcriptomic approaches but this data is difficult to exploit to its full potential without a better annotation of genes encoding the relevant pathways. Therefore, in this thesis I discuss our attempts to annotate P. tricornutum lipid metabolism genes. Based on this annotation I have attempted to better characterize a selection of genes by genetic engineering and have pursued a comparative study of several published transcriptomes of P. tricornutum in nutrient deprived conditions to produce a list of candidate genes likely to be involved in triacylglycerol accumulation. Finally, we used this data to help interpret genome and transcriptome data of the newly sequenced oleaginous diatom Fistulifera solaris to help understand how it accumulates unusually high amounts of triacylglycerol for applications in the biotechnology and bioenergy industry.

Le début de ce siècle a été marqué par un regain d’intérêt pour le développement des biocarburants. L’engagement de la communauté internationale pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les préoccupations énergétiques et les débouchés agricoles, ont été les principales raisons qui ont motivé ce développement. Dès lors, la production et la consommation de biocarburants ont considérablement augmenté et ont pris une dimension internationale. L’ampleur du phénomène a suscité des préoccupations d’ordres économique, agricole et environnemental. L’objet de la thèse est d’étudier l’ensemble des implications liées au développement des biocarburants – c’est-à-dire économiques, agricoles et environnementales ¬– et de les inscrire dans le contexte économique mondial.Afin de favoriser les biocarburants face à leurs équivalents fossiles, d’importantes mesures de soutien à l’ensemble des filières des biocarburants ont été instaurées dans les différentes régions du monde. Afin d’étudier la portée de ces politiques, nous avons fait une étude comparative entre les mesures des principaux acteurs (Brésil, Union européenne et Etats-Unis) et des nouveaux acteurs des marchés internationaux. Outre la comparaison des performances économiques et environnementales, nous avons analysé l’influence des politiques de soutien des principaux acteurs sur l’orientation des politiques des nouveaux acteurs engagés dans la production des biocarburants (ou de matières premières).Le second axe de la thèse porte sur les implications agricoles du développement des biocarburants. En effet, de nombreux évènements ont marqué les marchés agricoles mondiaux ces vingt dernières années : le changement d’habitudes alimentaires des pays en développement, la rareté des terres agricoles dans les régions historiquement productrices et exportatrices, les catastrophes naturelles, …, constituent un défi pour les besoins alimentaires futurs. Dans ce contexte, l’avènement des biocarburants représente incontestablement un facteur additionnel aux tensions déjà existantes sur les marchés agricoles mondiaux. En plus d’accroitre la tension sur les prix, le développement des biocarburants participe à la réorganisation de l’architecture de l’agriculture mondiale en faveur des pays en développement.Le dernier axe porte sur les impacts environnementaux des biocarburants. L’internationalisation (de manière directe et/ou indirecte) de la production des biocarburants donnent une nouvelle dimension aux implications environnementales des biocarburants. Notre approche consiste à étudier les impacts environnementaux des biocarburants en séparant les étapes de production de matières premières, de celles de transformation et de consommation. Les résultats montrent que les pays en développement s’exposent à des risques environnementaux élevés. Afin d’éviter ces risques, le développement des biocarburants doit se soumettre à certaines conditions qui permettront d’atteindre une viabilité socio-économique et environnementale. / The beginning of this century was marked by a renewed interest in the development of biofuels. The commitment of the international community to reduce greenhouse gas emissions, energy concerns and agricultural markets were the main reasons for this development. Therefore, the production and consumption of biofuels have increased dramatically and took on an international dimension. This phenomenon magnitude has caused agricultural, environmental and economical concerns. The purpose of the thesis is to study all the implications of the development of biofuels - that is to say, economical, agricultural and environmental - in the context of the global economy. To promote biofuels as opposite to their fossil equivalents, important measures to support all sectors of biofuels have been established in different parts of the world. To study the impact of these policies, we conducted a comparative study between the measurements of the main players (Brazil, European Union and United States) and new actors in international markets. In addition to comparing the economic and environmental performance, we analyzed the influence of political support of key players on the political orientation of new actors involved in the production of biofuels (or raw materials). The second axis of the thesis focuses on the agricultural implications of biofuel development. Indeed, many events have marked the global agricultural markets over the past twenty years: the change in eating habits in developing countries, the scarcity of farmland in the historically producing and exporting regions, natural disasters... is a challenge for future food needs. In this context, the advent of biofuels is certainly an additional factor to existing tensions in global agricultural markets. In addition to increasing the pressure on prices, the development of biofuels contributes to the reorganization of the architecture of global agriculture in favor of developing countries. The last axis addresses the environmental impacts of biofuels. Internationalization (direct and / or indirect) of biofuels production gives a new dimension to the environmental implications of biofuels. Our approach is to study the environmental impacts of biofuels by separating the stages of production of raw materials, those of processing and of consumption. The results show that developing countries are exposed to high environmental risks. To mitigate these risks, the development of biofuels should be subject to certain conditions that will achieve a socio-economical and environmental sustainability.

Une stratégie d’ingénierie du métabolisme de C. acetobutylicum a été développée afin de construire une souche capable de produire de l’isopropanol à partir de sucres en C5, en C6 ou de substrats plus complexes. Dans un premier temps, une souche de C. acetobutylicum a été ingénieriée pour la production d’un mélange isopropanol/butanol/éthanol (IBE), ce microorganisme n’étant pas capable de produire naturellement de l’isopropanol. Différents opérons, exprimant une voie synthétique de production d’isopropanol, ont été construits et introduits à partir d’un plasmide dans une souche chez laquelle la voie de synthèse du butyrate a été supprimée (C. acetobutylicum ATCC 824 Δcac15ΔuppΔbuk). La souche la plus performante a été sélectionnée à partir de cultures réalisées en fermenteur, en mode discontinu à pH 5,0 et s’est avérée être celle exprimant la voie de l’isopropanol sous la dépendance du promoteur thl. Une optimisation des paramètres de culture a conduit à la production d’un mélange IBE, à partir de glucose, à une concentration de 21 g.l-1, un rendement de 0,34 g.g-1 et une productivité de 0,8 g.l-1.h-1. La production du mélange IBE à partir de xylose ou de xylane comme unique source de carbone a également été démontrée et permet une production IBE de 10,4 g.l-1 avec un rendement de 0,31 g.g-1 sur xylose et une production IBE de 4,28 g.l-1 avec un rendement de 0,28 g.g-1 sur xylane. Enfin, l’analyse des flux passant par la voie de l’isopropanol a permis d’identifier l’étape limitant la production de ce composé. Cette dernière semble être liée à la concentration en acétate intracellulaire et aux propriétés catalytiques la CoA-transférase, qui possède une faible affinité pour l’acétate. Ainsi, une CoA-transférase synthétique basée sur les caractéristiques de la CoA-transférase AtoAD d’E. coli, qui est décrite comme ayant un Km pour l’acétate plus faible, a été conçue et exprimée dans la souche précédement construite afin de tenter de lever la limitation de la voie de synthèse de l’isopropanol. Dans un deuxième temps, des modifications supplémentaires du métabolisme de C. acetobutylicum ont été effectuée afin de produire de l’isopropanol comme unique produit de fermentation à partir de glucose ou de xylose. Différentes stratégies ont alors été évaluées dans le but de contourner le déséquilibre rédox causé par la délétion des voies parasites consommatrices de carbone. Ainsi, des outils permettant la mesure d’activité hydrogénase, in-vivo et in-vitro, ont été développés pour tester la fonctionnalité de 3 hydrogénases, utilisant la bifurcation d’électrons pour la production d’H2 à partir de NADH et de ferrédoxine. Une deuxième stratégie utilisant les potentialités de la voie des phosphocétolases pour la métabolisation du xylose en acétyl-CoA a été étudiée et des résultats prometteurs ont été obtenus malgré les limitations actuellement rencontrées / First, C. acetobutylicum was metabolically engineered to produce a biofuel consisting of an isopropanol/butanol/ethanol (IBE) mixture. Different synthetic isopropanol operons were constructed and introduced on plasmids in a butyrate minus mutant strain (C. acetobutylicum ATCC 824 Δcac15ΔuppΔbuk) in which the butyrate pathway was deleted. The best strain expressing the isopropanol operon from the thl promoter was selected from batch experiments at pH 5.0. By further optimizing the pH of the culture, an IBE mixture with almost no by-products was produced at a titer of 21 g.l-1, a yield of 0.34 g.g-1 and productivity of 0.8 g.l-1.h-1, values never reached before. IBE production was also shown to be efficient using xylose or xylan as the sole carbon source with 10.4 g.l-1 IBE produce at a yield of 0.31 g.g-1 from xylose and 4.28 g.l-1 IBE produce at a yield of 0.28 g.g-1 from xylan. Furthermore, by performing in vivo and in vitro flux analysis of the synthetic isopropanol pathway, this flux was identified to be limited by acetate intracellular concentration and the high Km of CoA-transferase for acetate. A synthetic CoA-transferase based on the AtoAD E. coli characteristics was designed, synthesized and evaluated in vivo. This enzyme, that displays a lower Km for acetate, was found to be a good candidate to alleviate the bottleneck of the isopropanol pathway. Secondly, several strategies were evaluated to redraw C. acetobutylicum metabolism and finally construct a strain able to produce isopropanol as the only fermentation product from glucose or xylose. To overcome the severe redox imbalance caused by homo-isopropanolic fermentation, several strategies were investigated. On the one hand, a new class of electron bifurcating enzyme, the NADH hydrogenases, that can use NADH and ferredoxin to produce H2, were evaluated in C. acetobutylicum. This strategy opens the alternative to produce isopropanol and H2 from glucose without any carbon lost. On the other hand, the use of an alternative catabolic pathway, the phosphocetolase pathway, for xylose utilization and acetyl-CoA production was evaluated. These results allow the identification of the metabolic bottlenecks to overcome to obtain a C. acetobutylicum strain able to produce only isopropanol from xylose at high yield

Le remplacement des solvants organiques classiques par une nouvelle génération de solvants moins toxiques et moins polluants est un défi majeur pour l'industrie chimique. Les liquides ioniques (LIs) ont été largement identifiés comme substituts intéressants aux solvants traditionnels. Le but de ce travail est d'étudier la solubilité des sucres ou des constituants issus de la biomasse dans les liquides ioniques afin de pallier au manque de données expérimentales sur les équilibres de phases de systèmes {sucres + LIs} ou {biomasse + LIs}. Les données de solubilité ont été corrélées avec succès en utilisant les modèles thermodynamiques NRTL et UNIQUAC. Cette étude démontre que la méthode de l'antisolvant est une bonne technique pour l'extraction des sucres des LIs. Par conséquent, les liquides ioniques peuvent être facilement recyclés pour être réutilisés. Les natures fondamentales des interactions entre les sucres et les liquides ioniques ont été définies en utilisant le calcul ab initio. Les résultats obtenus par simulation sont en accord avec les données expérimentales et indiquent que les liquides ioniques interagissent avec les sucres par liaisons hydrogène. La seconde partie de ce travail met en évidence que le prétraitement du miscanthus avec les liquides ioniques permet d'obtenir une bonne production d'éthanol (jusqu'à 150 g d'éthanol par kg de miscanthus). Les résultats montrent que les liquides ioniques sont des solvants performants dans le domaine de la conversion des matières premières issues de la biomasse en biocarburant. Ainsi, l'application à l'échelle industrielle de ces procédés d'extraction de la cellulose pourrait être d'un grand intérêt / The replacement of conventional organic solvents by a new generation of solvents less toxic, less flammable and less polluting is a major challenge for the chemical industry. Ionic liquids have been widely promoted as interesting substitutes for traditional solvents. The purpose of this work is to study the solubility of carbohydrates or biomass based materials in ionic liquids in order to overcome the lack of experimental data on phase equilibria of {biomass or carbohydrate-ILs} mixtures. Solubility data were successfully correlated using NRTL and UNIQUAC thermodynamic models. It was found that the antisolvent method is a good technique for the extraction of carbohydrates from ILs. Ionic liquids could be then recycled successfully for reuse. The fundamental natures of the interaction between carbohydrates and ionic liquids were investigated using ab initio calculations. The theoretical results are in good agreement with experimental data. It was concluded that ionic liquids mainly interact with carbohydrates via hydrogen bonding formation. This confirms that the process of dissolution and regeneration of cellulose in ionic liquids is accompanied only with a physical change. The preatreatment of miscanthus with ionic liquids resulted in the regeneration of amorphous, porous cellulose almost free of lignin, which is suitable for enzymatic hydrolysis and fermentation processes. A successful ethanol production was obtained with an overall ethanol yield reached up to 150 g ethanol kg-1 miscanthus. This indicates the high performance of ionic liquids in converting biomass feedstocks into biofuel. Indeed, applying the cellulose extraction processes on the industrial scale could be of great interest

Trouver des solutions aux carburants fossiles est un des grands challenges du XXIème siècle. Les plantes et les microalgues sont capables de produire de l’huile, facilement convertible en biodiésel. Afin d’optimiser la production de biocarburant, il est essentiel de connaitre les mécanismes cellulaires menant à la formation de ces lipides de réserve aussi appelés TAG (Triacylglycérides). En condition physiologique, le flux de lipide est naturellement orienté vers la synthèse de lipides membranaires qui permettent de créer de nouvelles membranes lors de la division cellulaire. Le manque de nutriments disponibles est une condition souvent rencontrée par les végétaux terrestres et les microalgues. Chez ces dernières, lors d’une en carence d’azote, la croissance cellulaire est ralentie et les TAG s’accumulent. Le flux de lipides, normalement orienté vers la synthèse de nouvelles membranes, est-il alors basculé vers la synthèse des lipides de réserve ? Pour vérifier cette hypothèse, une gamme de composés connus pour arrêter la croissance cellulaire a été testée sur la plante supérieure Arabidopsis thaliana selon une stratégie de génétique chimique. Quel que soit le traitement, l’inhibition de la croissance est toujours accompagnée par une augmentation de la teneur en TAG. Parmi les inhibiteurs, le méthotrexate, qui réprime l’enzyme dihydrofolate réductase impliquée dans le métabolisme C1, induit une augmentation des lipides de réserve jusqu’à 15 fois la valeur du contrôle. Ce traitement a été comparé à une carence en azote, qui dans nos conditions expérimentales, ralentie la croissance cellulaire et augmente d’un facteur 60 la teneur en TAG. L’analyse des profils lipidiques révèle que la déficience en azote engendre une diminution des classes de lipides membranaires -phospholipides et galactolipides, au profit des TAG, tandis que le traitement méthotrexate n’est pas associé à un remaniement membranaire. Néanmoins, les deux conditions partagent des similitudes, comme le taux d’insaturation des acides gras et l’expression des gènes des désaturases qui sont modifiés. La forte expression des gènes codant pour les Non Spécific Phospholipases C (NPC4/5), ainsi que des expériences de pulse-chase avec de la phosphatidylcholine (PC) marquée, ont mis en évidence que ce phospholipide est plus utilisé pour produire des TAG dans les deux traitements, qu’en condition contrôle. Afin d’évaluer plus finement l’importance des enzymes NPC4 et 5 dans le métabolisme d’accumulation des lipides de réserve, la construction de lignées mutantes d’A. thaliana (surexpresseur ou knock-out) a été amorcée. Les microalgues sont des modèles puissants pour les biocarburants de 3ème génération. Pour cette raison nous avons testé l’effet d’une déficience minérale et l’impact de différents inhibiteurs de croissance sur l’accumulation de TAG chez la microalgue Phaeodactylum tricornutum. Les résultats préliminaires suggèrent que la sensibilité aux inhibiteurs peut être différente chez les diatomées et les plantes supérieures. / Alternatives to fossil fuel are one of the biggest challenges of the 21st century. Plants and microalgae are able to produce oil which is easily convertible in biodiesel. In order to optimise the biofuel production it is necessary to know the cellular mechanisms leading to the setting up of these storage lipids or TAG (Triacylglycerides). In its physiological condition, the lipid flux is naturally orientated towards the membrane lipid synthesis, which allows the creation of new membranes which occurs during the cell division. Nitrogen deficiency, a condition often encountered by plants and algae, is known to induce cell growth to slow down and an accumulation of TAG in microalgae models. Is the lipid flux, which is conventionally orientated towards new membrane synthesis, tipped over the storage lipid synthesis? To check this hypothesis, a range of compounds known to stop the cell growth was tested on the higher plant model Arabidopsis thaliana, according to a chemical genetic strategy. All treatments showed a rise of the TAG content associated to a cell growth inhibition. Among them, the methotrexate inhibit the dihydrofolate reductase enzyme involved in the C1 metabolism and induced a TAG accumulation up to 15 times the control. This treatment was compared to a nitrogen starvation condition, which in our experiments slowed down the cell growth and induced an increase of 60 times to the TAG content. The lipid profile analysis revealed that the nitrogen deficiency led to a decrease of membrane lipids -phospholipids and galactolipids, in favour to TAG, whereas the methotrexate treatment was not associated to any membrane remodelling. Nevertheless, both conditions shared similarities, as the modifications of the fatty acid insaturation profile and the expression of desaturase genes. The strong gene expression of Non Specific phospholipases C (NPC4/5) and pulse-chase experiments performed with a labelled phosphatidylcholine (PC), highlighted the predominant involvement of this phospholipid in the TAG production which occurs during the two treatments. In order to evaluate the NPC role in the storage lipid metabolism more closely, A. thaliana mutant lines for NPC4 and NPC5 (over-expressers and knock-out) were initiated. Microalgae are powerful models for the third generation of biofuels. For this reason we tested the impact of a nutrient deficiency as well as the effect of different growth inhibitors on the TAG accumulation in the marine microalgae Phaeodactylum tricornutum. Preliminary results suggested that the inhibitor sensibility can be different between diatoms and higher plants.

Cette thèse a pour objectif d'étudier les réactions des alcools en conditions hydrothermales. Dans une phase préliminaire, le phényl-éthanediol a été étudiés. Après aldolisation, cyclisation intramoléculaire et aromatisation sont suivi en formant 1-phénylnaphthalène. L'aldolisation et la cyclisation du type de Friedel et Crafts ont été mise en œuvre.Les transformations de l'éthylène glycol et du 1,2-propanediol sont fortement dépendantes des conditions de réaction (température, durée de réaction et nature du solvant). La réaction de transformation du 1,2-propanediol permet de synthètiser les composés suivants : mésitylène, 2-méthyl-pentènal et 2-éthyl-3,5-diméthyl-cyclopent-2-ènone. Ces produits peuvent être utilisés comme biocarburant ou solvant ou peuvent constituer des matières premières pour des synthèses organiques.Les alkylations du naphthalène et du phénol ont été étudiées en détails en fonction de la nature du solvant. L'emploi d'acide chlorhydrique en concentration de 0.05mol/L à 180°C permet l'alkylation des aromats par l'alcool benzylique. D'autres solvants (acide acétique, acide formique à 1mol/L) permettent d'obtenir ces composés avec des rendements d'alkylation inférieurs. Par ailleurs, le recyclage de ces solvants est réalisable. Notons enfin que l'alcool benzylique peut polymériser et cette polymérisation est fortement influencée par la température utilisée. La polymérisation de l'alcool benzylique a été appliquée avec succès à la séparation des platinoïdes d'une solution modèle d'effluents issue du traitement du combustible nucléaire. / This thesis aims to study and to apply reactions of alcohols under hydrothermal conditions.Studies on 1-phenyl-ethanediol show an aldolisation, followed by an intramolecular Friedel-Crafts type reaction and an aromatisation. Finally, it ends up by as 1-phenyl-naphthalene.Ethylene glycol reacts on itself with a strong dependence on the temperature and the solvent. The conversion of 1,2-propanediol showed similar dependences and obtained even the aromatic compound mesitylene and especially the amount of products proves dependence on the temperature and the duration of the reaction. The main compounds can be used as solvents, as biofuel and for syntheses, whereas the byproducts might be biocarburants after hydrogenation.The Friedel-Crafts type reaction is transferred to an intermolecular one. Naphthalene and phenol are studied in more detail. 0.05mol/L HCl are enough in order to benzylate an aromatic compound at 180°C. HCl can be replaced by acetic acid or formic acid, but even concentrations of 1.0mol/L do not achieve results as good as 0.05mol/L HCl. The recycling of the aqueous phase of these reactions is advantageous. Additionally, benzyl alcohol alkylates benzyl alcohol and thus it can polymerize. Higher temperatures lead to longer polymers. This polymerization can be used in the domain of nuclear fuel recycling in order to separate platinum group metals out of a model solution.

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Le début de ce siècle a été marqué par un regain d'intérêt pour le développement des biocarburants. L'engagement de la communauté internationale pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les préoccupations énergétiques et les débouchés agricoles, ont été les principales raisons qui ont motivé ce développement. Dès lors, la production et la consommation de biocarburants ont considérablement augmenté et ont pris une dimension internationale. L'ampleur du phénomène a suscité des préoccupations d'ordres économique, agricole et environnemental. L'objet de la thèse est d'étudier l'ensemble des implications liées au développement des biocarburants - c'est-à-dire économiques, agricoles et environnementales ¬- et de les inscrire dans le contexte économique mondial.Afin de favoriser les biocarburants face à leurs équivalents fossiles, d'importantes mesures de soutien à l'ensemble des filières des biocarburants ont été instaurées dans les différentes régions du monde. Afin d'étudier la portée de ces politiques, nous avons fait une étude comparative entre les mesures des principaux acteurs (Brésil, Union européenne et Etats-Unis) et des nouveaux acteurs des marchés internationaux. Outre la comparaison des performances économiques et environnementales, nous avons analysé l'influence des politiques de soutien des principaux acteurs sur l'orientation des politiques des nouveaux acteurs engagés dans la production des biocarburants (ou de matières premières).Le second axe de la thèse porte sur les implications agricoles du développement des biocarburants. En effet, de nombreux évènements ont marqué les marchés agricoles mondiaux ces vingt dernières années : le changement d'habitudes alimentaires des pays en développement, la rareté des terres agricoles dans les régions historiquement productrices et exportatrices, les catastrophes naturelles, ..., constituent un défi pour les besoins alimentaires futurs. Dans ce contexte, l'avènement des biocarburants représente incontestablement un facteur additionnel aux tensions déjà existantes sur les marchés agricoles mondiaux. En plus d'accroitre la tension sur les prix, le développement des biocarburants participe à la réorganisation de l'architecture de l'agriculture mondiale en faveur des pays en développement.Le dernier axe porte sur les impacts environnementaux des biocarburants. L'internationalisation (de manière directe et/ou indirecte) de la production des biocarburants donnent une nouvelle dimension aux implications environnementales des biocarburants. Notre approche consiste à étudier les impacts environnementaux des biocarburants en séparant les étapes de production de matières premières, de celles de transformation et de consommation. Les résultats montrent que les pays en développement s'exposent à des risques environnementaux élevés. Afin d'éviter ces risques, le développement des biocarburants doit se soumettre à certaines conditions qui permettront d'atteindre une viabilité socio-économique et environnementale.