Les efflorescences phytoplanctoniques nuisibles et/ou toxiques impactent depuis très longtemps les écosystèmes marins du monde entier. Ces développements massifs ont un effet néfaste sur les écosystèmes et leur exploitation. Les lagunes du Languedoc-Roussillon sont touchées depuis plusieurs décennies. En plus des risques sanitaires récurrents dus aux genres Dinophysis (toxines DSP) et Alexandrium (toxines PSP), Vulcanodinium rugosum a été identifiée en 2011 dans la lagune d’Ingril. Cette nouvelle espèce est productrice de pinnatoxines (neurotoxines). A travers ces travaux de thèse, la biologie de cette nouvelle espèce (cycle de vie, condition de croissance, production de toxines), ses capacités de contamination des mollusques et sa distribution géographique dans les lagunes limitrophes ont été étudiées sur des cultures au laboratoire et via des suivis environnementaux.Les résultats de cette étude ont mis en évidence le caractère thermophile et euryhalin de cette microalgue (croissance optimale à 25°C et à une salinité de 40 ) avec des plages de croissance comprises entre 20 et 30°C. Sa capacité à croître sur une source azotée organique (urée) a été observée in vitro. Son expansion à des lagunes du Languedoc-Roussillon autre que l’étang d’Ingril, a été confirmée par la mise en évidence de la contamination des moules par la pinnatoxine G. La survie de ce dinoflagellé dans le tractus digestif des moules et des huîtres prouve que le transfert de coquillages est une source de contamination potentielle des écosystèmes non impactés par cette espèce toxique.Le cycle de vie de V. rugosum n’a pu être élucidé que partiellement, le kyste de résistance n’ayant pas été identifié formellement. Les kystes temporaires apparaissent comme des stades très importants à prendre en considération en raison de leur capacité à se diviser et de leur forte présence sur les macrophytes. Ces formes temporaires de résistance peuvent constituer une source de contamination non négligeable des mollusques dans la lagune de l’Ingril même lorsque les cellules végétatives de V. rugosum sont peu présentes dans la colonne d’eau. En raison des faibles densités de V. rugosum in situ et la difficulté de son identification sur des critères morphologique, sa surveillance dans le cadre du REPHY demeure difficile. Ainsi l’utilisation de systèmes d’échantillonnage passifs (SPATT) constitués de résines qui adsorbent les toxines dissoutes dans l’eau permettrait la détection précoce des toxines associées à ces espèces benthiques émergentes. Cette étude met en évidence la prolifération d’une espèce émergente thermophile qui pourrait avec d’autres et à la faveur de changements climatiques constituer des problèmes sanitaires et économiques importants dans les écosystèmes lagunaires vulnérables de la Méditerranée. / Harmful and / or toxic phytoplankton blooms impact for a long time marine ecosystems worldwide. These massive developments have an adverse effect on ecosystems and their exploitation. The lagoons of the region Languedoc-Roussillon are affected for decades. In addition to recurring health risks from Dinophysis (DSP toxins) and Alexandrium (PSP toxins), Vulcanodinium rugosum was identified in 2011 in the lagoon Ingril. This new species product pinnatoxins (neurotoxins). Through this thesis work, the biology of this new species (life cycle, growth condition, toxin production), its shellfish contamination capacity and geographic distribution in neighboring lagoons were studied on cultures in the laboratory and via environmental monitoring.The results of this study have demonstrated its thermophilic and euryhaline features (optimum salinity and temperature of 25°C and 40 respectively) and its growth ranges between 20 and 30°C. Its ability to grow on an organic nitrogen source (urea) has been showed in vitro. Its expansion in other lagoons of Languedoc-Roussillon, was confirmed by the contamination of the mussels by the pinnatoxin G. The survival of this organism in the digestive tract of mussels and oysters proves that the transfer of shellfish is potentially a source of contamination of new ecosystems not yet affected by this toxic species.The life cycle of V. rugosum has not been fully described because the resistance cyst has not been formally identified. Temporary cysts appear as very important stages to be considered because of their ability to divide and their strong presence on macrophytes. These temporary forms of resistance may be a significant source of contamination of shellfish in the lagoon of the Ingril even when the vegetative cells of V. rugosum are weakly present in the water column. Because of the low densities of V. rugosum in situ and the difficulty of its identification on morphological criteria, the monitoring within the REPHY protocol remains difficult. Thus the use of passive sampling systems (Spatt) made with resins which adsorb toxins dissolved in water would make possible the early detection of toxins associated with these emerging benthic species. This study highlights the growth of an emerging thermophilic species that might with others and thanks to climate change provide important health and economic problems in vulnerable lagoon ecosystems of the Mediterranean.

Les installations nucléaires sont génératrices de déchets liquides radioactifs qui doivent être traités avant leur rejet dans l'environnement. Le cobalt et l'argent radioactifs sont, après le tritium et le carbone 14, les principaux radionucléides rejetés par des réacteurs à eau pressurisée. Les traitements de décontamination d'effluents liquides actuellement mis en œuvre dans les installations nucléaires reposent sur des procédés physico-chimiques d'évaporation, de coagulation/floculation, de séparation de phase, de sorption et d'échange d'ions. Ces procédés conventionnels sont très efficaces mais présentent diverses limitations : ils ne retiennent pas ou peu le carbone 14 et, en situation accidentelle, ils ne sont pas faciles à mettre en œuvre pour traiter de grands volumes. Le développement de procédés innovants palliant à ces inconvénients est donc nécessaire. Les technologies de bio-remédiation pourraient être une alternative intéressante dans le secteur nucléaire mais très peu de procédés ont été proposés. Ce travail vise ainsi à développer une filière de traitement d'effluents nucléaires originale basée sur l'action d'une micro-algue photosynthétique, Coccomyxa actinabiotis, résistant aux rayonnements ionisants et accumulant les radionucléides et métaux toxiques. Les réflexions menées en collaboration avec les différents acteurs du projet ont permis d'établir un cahier des charges pour concevoir la filière de traitement et réaliser un pilote en tenant compte des contraintes associées au milieu nucléaire et à l'utilisation d'une matrice biologique. La filière est organisée en plusieurs opérations incluant d'une part la production et la récolte des micro-algues et d'autre part la décontamination de l'effluent. La faisabilité de chacune de ces opérations est tout d'abord étudiée à l'échelle laboratoire. Ainsi, les conditions opératoires et les outils de suivi, de contrôle, et d'optimisation relatifs aux étapes de (i) production de biomasse algale, (ii) séparation et/ou concentration de la biomasse par microfiltration et (iii) décontamination de l'effluent, en particulier l'élimination de l'argent 110m, du cobalt 60 et du carbone 14, sont recherchés. Le montage de la filière complète est ensuite proposé ; basée sur les résultats obtenus à l'échelle de laboratoire, la faisabilité de la bio-décontamination de radionucléides par la micro-algue à l'échelle pilote est également étudiée et démontrée. Ce travail de recherche permet donc d'envisager le développement d'une filière innovante de traitement des effluents liquides d'industries nucléaires et confirme la potentialité de certaines micro-algues à assurer l'élimination de polluants ciblés. / Nuclear plants produce radioactive liquid wastes which are decontaminated before they are released. Radioactive cobalt and silver are the main radionuclides released by water pressurized reactor, after tritium and carbon 14. Liquid effluents are decontaminated by physic-chemical processes, such as evaporation, coagulation, sorption and ion exchange. These technologies are very efficient but cannot neutralize entirely the carbon-14 and, in the case of emergency situation, they are difficult to implement in order to decontaminate high amount of radioactive liquids. It is necessary to look for alternative decontamination methods. Bio-remediation technologies may constitute interesting alternatives in the nuclear field as well, but only a few bio-based technologies have been proposed. This work aims to develop a treatment unit based on the use of a photosynthetic micro-alga, extremely radio-tolerant and owning high capacity to concentrate radionuclides and toxic metals. The technical specification was draft to design the process and construct the pilot unit taking into account the constraints linked to the use of a biological matrix in a nuclear environment. The pilot-scale treatment unit, based on this micro-alga, includes different tasks to ensure the objectives of the process: algae have first to be produced in a growth medium and harvested before ensuring the treatment of the contaminated effluent. The feasibility of these operations is studied at laboratory scale. Operating conditions and monitoring and optimization tools for each step, (i) biomass production, (ii) biomass separation and concentration by microfiltration, (iii) effluent decontamination of silver-110m, cobalt-60, carbon-14, are sought. Based on the results obtained at laboratory scale, the feasibility of bio-decontamination of radionuclides by the micro-alga at pilot-scale is studied and demonstrated. Through this work, the development of an innovative process has to be considered for the decontamination of liquid effluents from the nuclear industry. This work confirms the high potential of algae to ensure the pollutants elimination.

Rampant increases in oil prices and detrimental effects of fossil fuels on the environment have been the main impetus for the development of environmentally friendly and sustainable energy sources. Amongst the many possibilities, microalgae have been proposed as a new alternative energy source to fossil fuels, as their growth is both sustainable and ecologically safe. By definition, microalgae are unicellular photosynthetic microorganisms containing chlorophyll a. These organisms are capable of producing large quantities of oils, surpassing that of traditional oil-seed crops, which can be transformed, through chemical processes, into biofuels such as biodiesel or bio-gasoline. Thus, recent research has gone into discovering high lipid producing algal strains, optimising growth media for increased lipid production and developing metabolic engineering to make microalgae a source of biofuel that is competitive to more traditional sources of biofuel and even to fossil fuel. In this context, the research reported here focused on using a mixotrophic growth mode as a way to increase lipid production for certain strains of microalgae. In addition, nitrogen starvation combined with mixotrophy was studied to analyse its effects on lipid production. Mixotrophy is the parallel usage of two trophic modes, in our case photoautotrophy and heterotrophy. Consequently, 12 algal strains were screened for mixotrophic growth, using glycerol as a carbon source. Glycerol is a waste product of the current biodiesel industry; it is a cheap and abundant carbon source present in many metabolic pathways. From this initial screening, several strains were chosen for subsequent experiments involving nitrogen starvation. Nitrogen starvation has been shown to induce lipid accumulation. The results obtained show that a mixotrophic growth mode, using glycerol as a carbon source, enhances lipid production for certain strains. Moreover, lipid enhancement was shown for nitrogen starvation combined with mixotrophic growth mode. This was dependant on time spent under nitrogen starvation and on initial concentrations of the nitrogen source. / L’augmentation effrénée des prix du pétrole et les effets néfastes des carburants fossiles sur l’environnement sont les raisons principales pour la recherche et le développement de nouvelles sources d’énergie durables et écologiques. Parmi de grands nombres de possibilités, les micro-algues sont proposées comme une source alternative d’énergie aux carburants fossiles, étant donné que leur croissance est durable et écologique. Les micro-algues sont des organismes unicellulaires et photosynthétiques détenant comme pigment essentiel la chlorophylle a. Ces organismes sont capables de produire de grandes quantités d’huile, parfois excédant celles des cultures agricoles traditionnellement utilisées pour les biocarburants. Ces huiles peuvent être transformées en biocarburants, tel que le biodiésel et le bio-essence, par certains procédés chimiques. La recherche actuelle est basée sur la découverte de souches d’algues capables de produire un haut rendement de lipides, l’optimisation de milieux de croissance pour accroitre la production lipidique et la manipulation génomique afin de créer des souches de micro-algues dont les rendements peuvent rivaliser avec l’agriculture tradionnelle et même les carburants fossiles. Dans ce contexte, notre recherche se concentre sur l’utilisation d’un mode de croissance mixotrophe afin d’induire une augmentation dans la production lipidique de certaines souches de micro-algues. De plus, des études sur la carence en azote combinée à la croissance mixotrophe ont été entreprises pour évaluer l’effet de ces paramètres sur la production lipidique. La mixotrophie est un mode de croissance qui utilise en parallèle deux modes trophiques différents, tel que l’hétérotrophie et l’autotrophie. De ce fait, 12 souches d’algues ont été examinées pour leur capacité à croitre dans un milieu mixotrophe. Le glycérol est un produit secondaire de l’industrie du biodiésel actuelle. Cette substance est à bas prix, abondante et peut être utilisé comme substrat dans plusieurs voies métaboliques. Du criblage initial, plusieurs souches ont été choisies pour des expériences subséquentes impliquant la carence en azote. La carence en azote à été démontrer comme un déclencheur de l’accumulation de lipide chez les micro-algues dans des recherches antérieures. Les résultats obtenus démontrent que la croissance mixotrophe permet d’augmenter la production de lipide chez certaines souches. De plus, la carence en azote combinée à la croissance mixotrophe a permis d’augmenter la production lipidique. Cependant, celle-ci dépendait du temps passer en carence et des concentrations initiales de source d’azote.

Une nouvelle espèce de micro-algue photosynthétique, Coccomyxa actinabiotis, a récemment été découverte au sein d'une installation nucléaire. Cette algue présente une forte résistance aux radiations ionisantes et accumule certains radionucléides. Le développement d'une biotechnologie de décontamination des effluents liquides des réacteurs nucléaires basée sur C. actinabiotis est étudié du fait de ces propriétés. Ce travail vise plus particulièrement à caractériser et comprendre les processus d'accumulation par l'algue de l'argent et du cobalt, qui sont les radionucléides émetteurs gamma majoritaires dans les effluents liquides des réacteurs du parc électronucléaire français. Cette étude a été menée par quatre approches complémentaires : (a) Les cinétiques et les équilibres d'accumulation de ces métaux ont été déterminés par analyses ICP-MS (b) La distribution intracellulaire des métaux a été cartographiée à l'échelle nanométrique par fluorescence X de rayonnement synchrotron et par microscopie électronique en transmission (c) La spéciation de l'argent et du cobalt accumulés par la micro-algue a été déterminée par spectroscopie d'absorption X et par diffraction de rayons X (d) L'impact biologique de ces métaux sur l'algue a été examiné, notamment par l'étude des perturbations physiologiques, métaboliques et protéomiques associées à leur présence.L'ensemble de ces résultats dévoile une partie des processus à l'œuvre lors de l'accumulation d'argent ou de cobalt par C. actinabiotis. / A new green micro-alga species, Coccomyxa actinabiotis, was recently discovered in a nuclear environment. This alga is highly resistant to ionizing radiation and accumulates some radionuclides. Thanks to its properties, the development of a biotechnology based on C. actinabiotis for the clean-up of nuclear liquid effluents is under consideration. Our work aims more specifically at describing and understanding the alga's silver and cobalt accumulation processes; these metals being the main gamma emitting radionuclides present in liquid effluents issuing from French nuclear facilities.This study was carried out using four complementary approaches: (a) Kinetics and equilibriums of silver and cobalt uptake were assessed by ICP-MS analysis; (b) The subcellular distribution of the metals was mapped at a nanometric scale using synchrotron X-ray fluorescence and transmission electron microscopy; (c) The speciation of silver and cobalt taken up by the alga was assessed by synchrotron X-ray absorption spectroscopy and X-ray diffraction; (d) The biological impact of these metals on the alga was investigated, in particular the physiological, metabolic and proteomic perturbations they induce.Altogether, these results unveiled some of the processes involved in silver and cobalt accumulation by C. actinabiotis.

Ce travail s’oriente vers la valorisation du traitement d’eaux usées à partir de piles à combustibles microbiennes (PCM) benthiques pour la production d’électricité. Cette technologie permet la production d’électricité à partir de micro-organismes électro-actifs (EA) et d’un substrat carboné qui peut être de l’eau usée.Quatre types d’eaux usées issues de l’activité anthropique sont sélectionnés. La présence de micro-organismes EA est mise en évidence par 2 méthodes électrochimiques. En condition réelle, le milieu lagunaire présente les meilleures performances électriques (6,6 mW/m²). Celui-ci propose l’environnement le plus favorable à l’installation dePCM benthiques in-situ. Les résultats montrent une forte influence des micro-algues sur l’activité des biofilms EA. Avec un cycle jour/nuit, cette production varie en suivant les cycles d’éclairage. Les micro-algues apportent l’oxygène nécessaire aux réactions cathodiques. Les PCM améliorent également la consommation de polluants du milieu cathodique.L’alimentation de petits dispositifs tels que des capteurs passe obligatoirement par une augmentation de la tension délivrée par les biopiles. Différentes techniques d’élévation de la tension (mise en série et en parallèle de plusieurs piles, convertisseurs DC/DC) sont analysées. Un capteur de température et d’humidité a fonctionné durant plus de 15 h directement alimenté par une de nos biopiles benthiques avec une puissance de 328 µW. Sa tension de sortie est augmentée par un convertisseur de type Flyback, passant de 560 mV à plus de 5,5 V. L’utilisation de PCM in-situ dans la lagune peut constituer une alternative à la production électrique et au traitement des eaux usées. / The work described in this document is oriented to enhancing the treatment of wastewater from benthic microbial fuel cell (BMFC) for electricity production. This technology allows the production of electricity from electro-active (EA) microorganisms and carbonated substrate which may be the wastewater.Four types of wastewater from human activity are selected. The presence of EA microorganisms is highlighted by two electrochemical methods. In real conditions, the lagoon environment has the best electrical performance (6.6 mW/m²).The lagoon environment offers the most favorable environment for installation BMFC in-situ. The results show a strong influence of microalgae on the EA biofilms activities and thus on the production of electricity. In lagoon conditions, with a day/night cycle, this production varies according to the lighting cycles. Microalgae bring oxygen necessary for cathode reactions at lower cost. BMFC also improve the consumption of pollutants including organics.Electrical supply by small devices such as sensors necessarily requires an increase of the voltage delivered by BMFC. The different voltage boosting techniques such as series and parallel connections of several units or the use of DC/DC converters are performed and analyzed. A temperature and humidity sensor worked for more than fifteen hours directly powered by a BMFC with a power of 328 µW. Its output voltage is increased by a flyback type DC/DC converter, from 560 mV to more than 5.5 V. The use of PCM in-situ in the lagoon can be an alternative to the power generation and the treatment of wastewater.

Les objectifs de ce travail étaient d’approfondir les connaissances sur les capacités d’adaptation des diatomées à différentes concentrations de CO2 et plus précisément sur l’implication des CCM dans l’assimilation du carbone minéral dissous. Des études sur la physiologie, les enzymes de différentes voies métaboliques et des analyses de transcriptomique et de protéomique ont été réalisées. Nous avons observé que les espèces de diatomées étudiées étaient capables de réguler leurs systèmes de concentration du carbone minéral suivant les conditions environnementales. Certaines semblent utiliser préférentiellement le CO2 ou le bicarbonate tandis que d’autres espèces utilisent les deux. L’activité des anhydrases carbonique est fortement induite en faible concentration de CO2. Nos travaux montrent cependant, que l’activité de cette enzyme est variable d’une espèce à l’autre. Nous avons aussi observé que dans la majorité des diatomées que nous avons étudiées, la photosynthèse de type C3 et non de type C4 est présente, apportant ainsi un éclairage à une véritable controverse sur le métabolisme du carbone chez les diatomées. Nos travaux soulignent de plus, une grande diversité de stratégies de CCM chez les diatomées. Chez T. pseudonana, une nouvelle protéine, LCIP63, a été observée en conditions de faible concentration de CO2. Son rôle physiologique est actuellement inconnu ouvrant de nouvelles perspectives de recherche. / The objectives of this work were to improve the knowledge on ability of diatoms to scope with different CO2 concentrations and to study their carbon concentrating mechanisms (CCM). Studies of their physiology, their metabolic enzymes, and analyses at transcriptomic and proteomic levels were performed. In all studied diatoms, the CCMs can be regulated according to CO2 availability in the environment. Some diatoms seem to use preferentially CO2, others, bicarbonate and some can use both. The carbonic anhydrase (CA) activity is strongly induced when cells were grown at low vs high CO2. However, our work shows that CA activity is highly variable among the different diatoms. Most of the studied diatoms perform a C3 photosynthesis and not C4 photosynthesis. In diatoms, there is a huge diversity in the CCM strategy. A new protein, LCIP63, was observed when T. pseudonana was grown under low CO2. The physiological role of this protein is yet unknown and this finding opens new research perspectives.

Deux biocapteurs, respectivement fondés sur des cellules de micro-algues et sur la polyphénol oxydase (PPO), sont décrits dans cette étude.<br />Le principe du biocapteur algal repose sur le suivi de l'activité photosynthétique des micro-algues par la mesure de la fluorescence chlorophyllienne. Le mode de culture en continu a été choisi afin d'obtenir des suspensions algales dont l'état physiologique des cellules est stable au cours du temps. Les cellules algales sont immobilisées sur- une membrane en fibre de quartz. Le biocapteur comporte cinq membranes algales. L'utilisation simultanée de cinq souches algales différentes permet d'augmenter la représentativité du signal mesuré d'un point de vue statistique ou écotoxicologique. Chlorella vulgaris a été utilisée lors des étapes d'optimisation et de validation du biocapteur. Le comportement de cinq souches algales a été étudié simultanément en l'absence et en la présence de polluants. <br />Le biocapteur enzymatique est fondé sur l'immobilisation de la polyphénol oxydase dans un film électrogénéré de polymère : le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDT). Il permet la détection directe de composés phénoliques et la détection indirecte d'inhibiteurs de cette enzyme. Les conditions d'élaboration et d'utilisation des bioélectrodes ont été optimisées.<br />Par leur spectre de détection et leur sensibilité, ces deux biocapteurs sont des outils complémentaires. Le biocapteur algal est capable de détecter des concentrations en herbicides anti-PSII inférieures au µg.l-1, tandis que la bioélectrode à PPO détecte les composés phénoliques à des concentrations de l'ordre du µg.l-1.

Dans le cadre de la protection de l'environnement, l'eau et l'atmosphère sont deux milieux particulièrement surveillés. La réglementation impose la détection et le dosage d'une liste de produits mais les besoins analytiques sont considérables. Les méthodes biotechnologiques présentent l'avantage d'indiquer l'impact du produit sur la matière vivante. Ces méthodes sont mises en œuvre au laboratoire ou sur site. La détection d'une toxicité globale ou ciblée, <i>in situ</i> et en temps réel, est privilégiée. Les biocapteurs sont des outils répondant à cette attente. Au cours de l'étude, deux biocapteurs, l'un ampérométrique, l'autre fluorimétrique sont conçus. Tous deux intègrent le même biorécepteur, <i>Chlorella vulgaris</i>. Une nouvelle méthode d'immobilisation des micro-algues est mise au point. Elle permet d'obtenir des lots de membranes reproductibles, fonctionnelles 7 jours, donnant une réponse <i>in vivo</i> à valeur statistique, réutilisables et conservables. Des essais conduits sur des thylakoïdes extraits des cellules végétales ne donnent pas d'aussi bons résultats. L'association des membranes algales avec les deux types de transducteur montre que <i>Chlorella vulgaris</i> est sensible à des produits divers : herbicides, métaux, solvants. Les limites de détection pour des herbicides sont particulièrement basses, inférieures aux normes. Pour plusieurs produits testés, des courbes d'étalonnage sont données. Les deux types de biocapteur fonctionnent en milieu aqueux, en mode batch et en mode flux. Le biocapteur de fluorescence algale à fibres optiques possède des qualités de reproductibilité et de maniabilité plus intéressantes que le biocapteur ampérométrique. Le biocapteur de fluorescence est testé sur des lixiviats de bois, solutions naturelles complexes ; le biocapteur ampérométrique est adapté à l'utilisation en phase gazeuse, il détecte alors le méthanol vapeur et le perchloroéthylène en aérosol. Une autre partie de l'étude consiste à caractériser l'impact des toxiques sur <i>Chlorella vulgaris</i>. L'analyse est conduite en microscopie électronique à balayage et en microscopie optique couplée à l'analyse d'images. Ces deux méthodes originales restent à perfectionner. Les résultats de nos essais préliminaires semblent encourageants pour la détection du produit toxique et l'accès à son mécanisme d'action.