Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [94]-108. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Les microalgues ont développé des approches distinctes pour moduler l'absorption de la lumière et son utilisation par leurs photosystèmes en réponse à des stimuli environnementaux. Dans ce rapport de Thèse je présente les différentes stratégies employées par une algue d'eau douce (Chlamydomonas reinhardtii) et une algue marine (Phaeodactylum tricornutum) pour optimiser leur acclimatation à l'environnement.Dans la première partie de ce rapport, je propose un modèle de cellules entières de la diatomée marine Phaeodactylum tricornutum obtenue par analyses spectroscopiques et biochimiques ainsi que par l’obtention d’images par microscopie électronique et reconstitution 3-D. Ce modèle a été utilisé pour répondre aux questions suivantes i. comment est structuré un chloroplaste secondaire pour faciliter les échanges avec le cytosol à travers les quatre membranes qui le délimitent ii. comment sont structurées les membranes photosynthétiques afin d’optimiser l'absorption de lumière et le flux d'électrons et iii. comment les chloroplastes et les mitochondries sont organisés pour optimiser l'assimilation du CO2 par échange ATP / NADPH.La deuxième partie de ce rapport porte sur la régulation de la collection de la lumière et de sa dissipation chez Chlamydomonas grâce à l'étude d'une part du rôle de la perception de la couleur de la lumière et d'autre part du métabolisme sur la dissipation de l'excès de lumière par quenching non photochimique (NPQ). En utilisant des approches biochimiques et spectroscopiques, j'ai mis en évidence un lien moléculaire entre la photoréception, la photosynthèse et la photoprotection chez Chlamydomonas via le rôle du photorécepteur phototropine, démontrant ainsi que le métabolisme, en plus de la lumière, peut aussi affecter ce processus d'acclimatation.En conclusion, ce travail de thèse révèle l'existence et l'intégration des différentes voies de signalisation dans la régulation des réponses photoprotectrices mises en place chez les microalgues marines et d'eau douce. / Microalgae have developed distinct approaches to modulate light absorption and utilization by their photosystems in response to environmental stimuli. In this Ph.D Thesis, I characterised different strategies employed by freshwater (Chlamydomonas reinhardtii) and marine algae (Phaeodactylum tricornutum) to optimise their acclimation to the environment.In the first part of this work, I used spectroscopic, biochemical, electron microscopy analysis and 3-dimentional reconstitution to generate a model of the entire cell of the marine diatom Phaeodactylum tricornutum. This model has been used to address the following questions: i. how is a secondary chloroplast structured to facilitate exchanges with the cytosol via its four membranes envelope barrier ii. how have diatoms shaped their photosynthetic membranes to optimise light absorption and downstream electron flow and iii. how the cellular organelles interact to optimise CO2 assimilation via ATP/NADPH exchanges.In the second part, I have focused on the regulation of light harvesting and dissipation in Chlamydomonas by studying the role of perception of light colour and metabolism on excess light dissipation via the Non-Photochemical Quenching of energy (NPQ). Using biochemical and spectroscopic approaches, I found a molecular link between photoreception, photosynthesis and photoprotection in Chlamydomonas via the role of the photoreceptor phototropin on excess absorbed energy dissipation (NPQ) and also demonstrated that besides light, downstream metabolism can also affect this acclimation process.Overall this Ph.D work reveals the existence and integration of different signal pathways in the regulation of photoprotective responses by microalgae living in the ocean and in the land.

Les microalgues présentes à la fois dans les eaux douces et salées compteraient plus de 200 000 espèces. Cette diversité en fait une source potentielle de métabolites spécialisés originaux. Parmi les principales familles de substances naturelles valorisées actuellement, on peut citer les pigments, lipides, protéines, polysaccharides, caroténoïdes. Une vision plus globale du métabolome de chacune des espèces apparaît aujourd’hui nécessaire pour mieux mettre en valeur le potentiel commercial que représente cette « microbiodiversité ». Pour cela, nous avons tout d’abord choisi d’approcher le métabolome de différentes souches de microalgues cultivées au sein de la Société Greensea en s’appuyant sur les techniques d’HPTLC, de RMN et d’UHPLC-QTOF pour une visualisation large. Cette étude nous a permis de regrouper les espèces par analogie métabolique après traitement statistique des données. Une seconde partie a consisté en une étude phytochimique approfondie de certaines souches et a conduit à l’isolement et la caractérisation de plusieurs molécules. Ainsi, en plus de métabolites connus, un peptide original portant un motif isoprényl, le cumbriamide a été caractérisé au sein de Lyngbya sp. et une première évaluation de son potentiel thérapeutique a été entreprise. Une large diversité en glycolipides s’est montrée prépondérante dans de nombreuses souches et une méthode de caractérisation a pu être mise au point pour leur identification par UHPLC-QTOF. Enfin, différentes applications des approches métabolomiques ont été envisagées. Ainsi, des études chimiotaxonomiques ont été menées sur les différentes souches de microalgues et l’influence de changements de conditions de culture sur la production de métabolites chez Nannochloropsis oculata a été observée. / Microalgae are present both in Oceans and freshwaters and could include more than 200 000 species. This diversity is a source of original specialized metabolites that can find a large array of applications. Pigments, lipids, proteins, polysaccharides and carotenoids are usual compounds produced by microalgae that have found commercial applications. A global vision of the metabolome of each species has showed promises to highlight the commercial value of this “microdiversity”. We then decided to assess the metabolome of several microalgae species grown at the Greensea company by using HPTLC, NMR and UHPLC-QTOF techniques for a rapid and global overview. A classification of the species according to their metabolomics similarities was obtained after statistics treatment of the data. A second part was dedicated to a phytochemical study of the extracts of selected strains and led to the isolation and characterization of several metabolites. Thus, in addition to known molecules, an original peptide substituted by an isoprenyl moiety and named cumbriamide has been characterized in Lyngbya sp and a first assessment of its therapeutical potential has been undertaken. Glycolipids have been identified as the major metabolites in the extracts of numerous strains and a UHPLC-QTOF method was developed for their identification. Finally, several applications of the metabolomics approaches were considered. Chemotaxonomic studies were first carried out and the influence of growth conditions on the metabolome of Nannochloropsis oculata was observed.

Les microalgues sont souvent considérées comme de potentielles candidates pour la production d'énergie. Cependant, le lien entre l'énergie contenue dans la biomasse et l'énergie nécessaire pour cultiver les microalgues, en particulier pour agiter la culture, est complexe. Le mélange a un effet direct sur la photosynthèse car il affecte la façon dont les cellules sont successivement transportées entre la lumière et les zones sombres. En particulier, l'hydrodynamique module la fréquence à laquelle la lumière est perçue par les cellules. Dans cette thèse nous avons étudié la réponse du processus de photosynthèse à divers signaux lumineux. Tout d'abord, l'effet de cycles lumière-obscurité a été étudié à l’aide d'un modèle mécaniste de photosynthèse et de croissance. Il a été montré que l'augmentation de la fréquence lumineuse augmente l'efficacité photosynthétique. Ensuite, nous avons développé un modèle de photoacclimatation, en supposant à la fois un changement dans le nombre et la section des photosystèmes. Les concepts proposés ont ensuite été validés expérimentalement. Un dispositif à base de LED a été développé et des cycles lumière-obscurité de fréquences variables ont été appliqués à Dunaliella Salina. Les résultats confirment les prédictions des modèles, comme la dynamique de photoacclimatation. Enfin, un modèle hydrodynamique 3D a été simulé pour un raceway. Cela a permis de reconstruire numériquement les trajectoires lagrangiennes de cellules, et donc d’évaluer le signal lumineux perçu par les microalgues. Ces trajectoires réalistes ont alors alimenté un modèle de photosynthèse et ont permis de comprendre l’effet du mélange sur l'efficacité photosynthétique. / Microalgae are often seen as a promising candidate to contribute to energy generation in the future. However, the link between the energy contained in the biomass and the required energy to grow the microalgae, especially to mix the culture, is complex. Mixing has a direct effect on photosynthesis since it affects the way cells are successively transported between light and dark zones, especially the hydrodynamics modulates the frequency at which light is percept by the cells. In this thesis the question of nonlinear response of the photosynthesis process to varying light signals at different time scales has been investigated. Firstly, the effect of light-dark cycle frequency on the response of a mechanistic model for photosynthesis and growth has been studied. It is shown that increasing the light supply frequency enhances photosynthetic efficiency. A model for photoacclimation has been developed assuming both a change in the number and the cross section of the photosystems. The proposed concepts have been experimentally validated using a self-developed LED device to expose the green algae Dunaliella Salina to light-dark cycles at different frequencies. The results support model hypotheses, i.e. mid-term photoacclimation depends on the average light intensity. Finally, a 3D hydrodynamic model for a raceway type culturing device has been used to compute Lagrangian trajectories numerically. Based on the trajectories, time-dependent light signals for individual cells have been calculated. Using these light signals, a photosynthesis model was integrated in order to investigate the dependency of photosynthetic efficiency on hydrodynamic regime.

Les secteurs de la parfumerie et de la cosmétique occupent une place proéminente dans la société moderne. De nombreuses entreprises se positionnent depuis plusieurs années sur les produits cosmétiques à ingrédients naturels. Les plantes, longtemps considérées comme matière première principale pour le domaine de la cosmétique, sont aujourd’hui concurrencées par les microalgues dont la biomasse devient plus facile à obtenir grâce aux avancées en biotechnologie bleue. Ainsi, Cosmo International Ingredients se positionne à travers cette thèse pour élargir son panel de matières premières valorisables dans le domaine de la cosmétique. Dans un premier temps, l’étude phytochimique de microalgues péruviennes a permis d’isoler et identifier une famille majeure de métabolites chez les microalgues : les glycolipides. Une recherche de conditions d’extraction optimale pour cette famille a été effectuée et a permis de proposer une méthodologie verte, spécifique et peu coûteuse. Les cyanobactéries connues pour leur production de métabolites structurellement diversifiés ont été sélectionnées pour la culture suivant des critères spécifiques. Cette approche a permis d’isoler et de caractériser 5 composés à forte valeur ajoutée dont 4 peptides et un alcaloïde. Enfin, un forçage métabolique a été effectué sur Microcystis aeruginosa afin d’optimiser la production des 4 peptides cibles. Il en est ressorti que les paramètres température et intensité lumineuse jouent un rôle important dans la production peptidique / The sectors of fragrances and cosmetics play a prominent role in the modern society. During the last decades, several companies have been focusing on nature to provide innovative products. Plants have historically been considered the main raw material in the cosmetic field but, recently, microalgae have been identified as a worthy competitor due to the facility to obtain biomass. Thus, the company Cosmo International Ingredients supported this PhD. thesis to broaden their range of raw materials that can be used for the cosmetic industry. First, the phytochemical study of Peruvian microalgae allowed the isolation of a major family of metabolites: glycolipids. An environmentally-friendly, selective and low-cost method for their extraction from the biomass has been developed. Cyanobacteria known for their production of structurally diverse metabolites have been selected for culture following specific criteria; as a result 5 compounds have been isolated and fully characterized, 4 of which were peptides and one was an indole alkaloid. Finally, to optimize the production of the targeted bioactive peptides, a kinetic study was performed for 3 different temperatures and 3 different light intensities. These parameters were found to play a critical role for the peptide production

Cette étude évalue des techniques d'extraction des lipides de microalgues, alternatives aux techniques conventionnelles par solvant. Les techniques disponibles d'extraction aqueuse ont été revues et deux d'entre elles ayant la meilleure applicabilité industrielle ont été testés, soit l'homogénéisation à haute pression (HHP) et l'homogénéisation à billes (HB). L'efficacité de ces techniques est évaluée en faisant varier leur principaux paramètres, en combinant la technique à la digestion enzymatique et en variant l'espèce de microalgues (Nannochloropsis oculata, Pavlova lutheri et Chlorella sp.). Des pourcentage de bris cellulaire appréciable de plus de 80 % sont obtenus, mais la récupération est en dessous de 10%. Les problématiques liées à cette étape de récupération sont discutées. L'identification des défis à relever au niveau de l'extraction des lipides et de leur récupération permet de faire un pas vers le développement d'une technologie de production de biodiésel microalgal plus abordable.

Les observations dérivées d’images satellites suggèrent que la réduction récente de l’étendue de la glace de mer a entraîné une augmentation de la production primaire en Arctique. Cependant, peu d’observations in situ sont disponibles pour confirmer ces estimations, en particulier au début de la saison de production. Les cellules de microalgues collectées dans des pièges à particules déployés sur trois sites de la mer de Beaufort au cours de trois à cinq cycles annuels de 2011 à 2017 ont été énumérées et identifiées afin d'étudier les changements dans le timing, l'abondance et la composition de l’export de microalgues en relation avec les variations dans le couvert de neige et de glace de mer. Les diatomées ont dominé les flux de microalgues avec différents assemblages au printemps-été (avril à août; Fragilariopsis spp. et Thalassiosira spp.) et à l'automne (septembre-novembre; Cylindrotheca closterium). La fonte des neiges ou la débâcle des glaces s'est produite dès la fin avril (2016) et jusqu'à la mi-août (2013). Les flux printemps-été des diatomées variaient de 0,05 à 500 mg C m⁻² (< 10⁵ à 1,25 x 10¹⁰ cellules m⁻²) et étaient négativement corrélés à la date de la fonte des neiges (r² = 0,35, n = 12) et à la débâcle des glaces (r² = 0,32, n = 12). L’exportation de l’algue de glace Nitzschia frigida reflète la libération des algues de glace au début de la fonte des neiges. Les flux maximaux de diatomées ont été systématiquement observés peu de temps après la débâcle des glaces. La contribution en pourcentage du flux de carbone associé aux microalgues (MC) au flux de carbone organique particulaire (POC) augmente avec l'ampleur du flux de diatomées. L'ampleur du flux de diatomées automnal relativement faible n'était pas corrélée de manière significative à la date de formation du couvert de glace (r² = 0,24, n = 10). Nos résultats sont généralement cohérents avec les observations satellitaires suggérant une augmentation de la biomasse de microalgues et le développement d’une prolifération de diatomées à l’automne en réponse à une saison libre plus longue dans les mers arctiques. Les variations à l’échelle régionale dans le régime de neige et de glace de mer ont une incidence directe sur le moment et l’ampleur de la production de microalgues et sur sa contribution à l’export de POC dans la mer de Beaufort. Avec le réchauffement climatique, la réduction continue du couvert de neige et de glace dans les mers arctiques entraînera une augmentation des flux de carbone vers le benthos et, potentiellement, une séquestration du carbone en profondeur. / Microalgal cells collected in sediment traps deployed at three sites in the Beaufort Sea during three to five annual cycles from 2011 to 2017 were enumerated and identified to investigate changes in the timing, abundance and composition of microalgal export in relation to variations in snow and sea ice cover. Diatoms dominated the microalgal fluxes with different assemblages in spring-summer (April to August; Fragilariopsis spp. and Thalassiosira spp.) and autumn (September-November; Cylindrotheca closterium). Snowmelt or ice breakup occurred as early as late April (2016) and as late as mid-August (2013). The magnitude of the spring-summer diatom flux varied from ~0.05 to 500 mg C m⁻² (< 10⁵ to 1.25 x 10¹⁰ cells m⁻²) and was negatively correlated to snowmelt date (r² = 0.35, n = 12) and sea-ice breakup date (r² = 0.32, n = 12). The export of the ice-obligated algae Nitzschia frigida reflected the release of sea ice algae at the onset of snowmelt. Peak diatom fluxes were consistently observed shortly after seaice break-up. The percent contribution of microalgal carbon to the particulate organic carbon (POC) flux increased with the magnitude of the diatom flux. The magnitude of the relatively small autumnal diatom flux was not significantly correlated to freeze-up date (r² = 0.24, n = 10). Our results are generally consistent with satellite observations suggesting an increase in microalgal biomass and the development of an autumn diatom bloom in response to a longer ice-free season in Arctic seas. Variations at the regional scale in the snow and sea-ice regimes directly impact the timing and magnitude of microalgal production and its contribution to POC export in the Beaufort Sea. With global warming, the ongoing reduction of the sea-ice cover in Arctic seas will result in increased carbon fluxes to the benthos and, potentially, carbon sequestration at depth.

Résumé : Au Canada, près de 80% des émissions totales, soit 692 Mt eq. CO[indice inférieur 2], des gaz à effet de serre (GES) sont produits par les émissions de dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2]) provenant de l’utilisation de matières fossiles non renouvelables. Après la Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques, COP21 (Paris, France), plusieurs pays ont pour objectif de réduire leurs émissions de GES. Dans cette optique, les microalgues pourraient être utilisées pour capter le CO[indice inférieur 2] industriel et le transformer en biomasse composée principalement de lipides, de glucides et de protéines. De plus, la culture des microalgues n’utilise pas de terre arable contrairement à plusieurs plantes oléagineuses destinées à la production de biocarburants. Bien que les microalgues puissent être transformées en plusieurs biocarburants tels le bioéthanol (notamment par fermentation des glucides) ou le biométhane (par digestion anaérobie), la transformation des lipides en biodiesel pourrait permettre de réduire la consommation de diesel produit à partir de pétrole. Cependant, les coûts reliés à la production de biodiesel à partir de microalgues demeurent élevés pour une commercialisation à court terme en partie parce que les microalgues sont cultivées en phase aqueuse contrairement à plusieurs plantes oléagineuses, ce qui augmente le coût de récolte de la biomasse et de l’extraction des lipides. Malgré le fait que plusieurs techniques de récupération des lipides des microalgues n’utilisant pas de solvant organique sont mentionnées dans la littérature scientifique, la plupart des méthodes testées en laboratoire utilisent généralement des solvants organiques. Les lipides extraits peuvent être transestérifiés en biodiesel en présence d’un alcool tel que le méthanol et d’un catalyseur (catalyses homogène ou hétérogène). Pour la commercialisation du biodiesel à partir de microalgues, le respect des normes ASTM en vigueur est un point essentiel. Lors des essais en laboratoire, il a été démontré que l’extraction des lipides en phase aqueuse était possible afin d’obtenir un rendement maximal en lipides de 36% (m/m, base sèche) en utilisant un prétraitement consistant en une ébullition de la phase aqueuse contenant les microalgues et une extraction par des solvants organiques. Pour l’estérification, en utilisant une résine échangeuse de cations (Amberlyst-15), une conversion des acides gras libres de 84% a été obtenue à partir des lipides de la microalgue Chlorella protothecoïdes dans les conditions suivantes : température : 120°C, pression autogène, temps de réaction : 60 min, ratio méthanol/lipides: 0.57 mL/g et 2.5% (m/m) Amberlyst-15 par rapport aux lipides. En utilisant ces conditions avec une catalyse homogène (acide sulfurique) et une seconde étape alcaline avec de l’hydroxyde de potassium (température : 60°C ; temps de réaction : 22.2 min; ratio catalyseur microalgue : 2.48% (m/m); ratio méthanol par rapport aux lipides des microalgues : 31.4%), un rendement en esters méthyliques d’acides gras (EMAG) de 33% (g EMAG/g lipides) a été obtenu à partir des lipides de la microalgue Scenedesmus Obliquus. Les résultats démontrent que du biodiesel peut être produit à partir de microalgues. Cependant, basé sur les présents résultats, il sera necessaire de mener d’autre recherche pour prouver que les microalgues sont une matière première d’avenir pour la production de biodiesel. / Abstract : In Canada, near 80% of the greenhouse gases (GHG), 692 Mt eq. CO[subscript 2], are produced by CO[subscript 2] emissions from non renewable fossil fuel used. Following the United Nations conference on climate changes (COP21) (Paris, France), several countries have the objective to reduce their GHG emissions. Consequently, the microalgae should be used to trap industrial carbon dioxide and transform them to a biomass composed of lipids, carbon hydrates and proteins. Moreover, this type of culture does not require arable land in opposition to several oleagineous plant used to produce biofuels. Despite the fact that microalgae can be transformed to several biofuels as bioethanol (among others by fermentation) or biomethane (by anaerobic digestion), the lipid transformation into biodiesel shoud allow reducing the petrodiesel consumption. However, the cost linked to the biodiesel production from microalgae remain relatively high far for a short term commercialisation partially because microalgae are cultivated in aqueous phase in opposition to several oleagineous plants increase the biomass harvesting and the lipid extraction cost. Despite de fact that several techniques of microalgae lipids recovery which do not use organic solvents as mentioned in the literature, most methods tested in laboratory generally used organic solvents. The lipids extracted can be transformed into biodiesel in presence of an alcool such as methanol and a catalyst (homogeneous or heterogeneous). For the microalgae biodiesel commercialization, the respect of ASTM standards is an essential point. At the laboratory scale, it was shown that the lipid extraction in aqueous phase was possible to obtain a maximum yield of 36wt% (dry weight) by using a boiling pretreatment of the aqueous phase microalgae followed by an extraction with organic solvents. For the esterification of FFAs with a strong acid resin (Amberlyst-15), a FFAs conversion of 84% was obtained from Chlorella protothecoides microalgae lipids in the following conditions: temperature: 120°C, autogeneous pressure, reaction time: 60 min, methanol/lipids ratio: 0.57 mL/g and 2.5wt% Amberlyst-15 compared to lipids. With the same reaction conditions (1st step) with a homogeneous catalyst (H[subscript 2] SO[subscript 4]) and an alkaline second step with a catalyst of potassium hydroxide (KOH) (temperature: 60°C; reaction time: 22.2 min ; catalyst to microalgue ratio: 2.48wt%; methanol to lipids ratio: 31.4%), a fatty acid methyl ester (FAME) yield of 33% (g FAME/g lipids) was obtained from the Scenedesmus obliquus microalgae lipids. These results showed that biodiesel can be produced from microalgae lipids. However, based on these results, further research had be conducted in order to prove that microalgae are a promising raw matrial to produce biodiesel.

La recherche visait à développer une technologie de biofilm à base de biofilms de microalgues pour le traitement des effluents riches en phosphore en vue de la production de produits de valeur secondaires, tels que la récupération du phosphore.Des recherches fondamentales ont été menées pour sélectionner des souches de microalgues efficaces en termes de traitement efficace des eaux usées et de production de biomasse algale, afin de mettre au point un procédé avec une faible addition d'électricité et de réactifs chimiques. Au total, 21 souches de microalgues ont été sélectionnées et sept souches ont été sélectionnées en fonction de leur taux de croissance. Le taux de croissance et l'efficacité d'élimination des éléments nutritifs de six souches ont été évalués dans différentes conditions de traitement des eaux usées synthétiques. Chlorella vulgaris ACUF_809 a montré une efficacité d'élimination du phosphate supérieure à celle des souches sélectionnées. Chlorella sp. ACUF_802 a également été caractérisé par l'effet des conditions limitant l'azote et le phosphore dans le milieu de croissance. Des expériences en laboratoire ont été effectuées pour évaluer les performances de formation de biofilm sur des tissus. L’activité photosynthétique, le pourcentage de colonisation et la croissance de la biomasse ont été étudiés pour deux Chlorella spp. Les différences dans les performances de formation de biofilm étaient observées entre les souches. Il a été constaté que l’analyse combinée de méthodes optiques non destructives est une méthode efficace pour surveiller les premières étapes du développement d’un biofilm. L'épaisseur moyenne du biofilm (106,37 ± 47 µm) a été mesurée. En outre, la distribution et la localisation des phosphates au cours du développement des biofilms C: pyrenoidosa ACUF_808 et C. vulgaris ACUF_809 ont été examinées au fil du temps, tout en préservant le contexte spatial. En utilisant des mesures physiologiques combinées, des techniques microscopiques, spectroscopiques et spectrométriques de masse ont été déterminées pour déterminer la croissance cellulaire, l'adhésion cellulaire, la performance physiologique, l'élimination des nutriments (phosphate et nitrate) et l'accumulation de phosphate visualisée au niveau des cellules dans les biofilms.La production de biomasse et l'efficacité d'élimination des nutriments par les microalgues Scenedesmus vacuolatus et C. vulgaris ACUF_809 à partir d'eaux usées synthétiques dans un nouveau photobioréacteur (PBR) de biofilm en laboratoire ont été étudiées. Le développement de biofilms sur du tissu de coton a été suivi dans le PBR dans des conditions semi-discontinues pendant 41 jours. S. vacuolatus ACUF_053 a obtenu l’élimination complète des éléments nutritifs et cinq étapes de développement du biofilm ont été identifiées: 1) fixation, 2) formation de biofilm, 3) maturation I, 4) sélection / adaptation et 5) maturation II. En revanche, le développement du biofilm de C. vulgaris ACUF_809 a montré une croissance de la biomasse plus régulière et une efficacité d'élimination constante. Cette recherche offre de nouvelles informations fondamentales dans le domaine de la formation de biofilms de microalgues pouvant être utilisées dans un plus large éventail d'applications scientifiques, notamment la possibilité d'un traitement couplé des eaux usées avec une récupération potentielle du phosphate / The aim of this Ph.D. research was to develop a bench scale microalgae biofilm technology for phosphorus rich effluents treatment toward the production of secondary valuable products, i.e. phosphorus recovery.Fundamental research was conducted to select efficient microalgae strains in terms of successful wastewater treatment and algal biomass production, in order to develop a process with low addition of electricity and chemical reagents. A total of 21 microalgae strains were screened and seven strains were selected according to their growth rate. The growth rate and nutrient removal efficiency of six strains were evaluated under different synthetic wastewater conditions, Chlorella vulgaris ACUF_809 showed superior efficiency of phosphate removal compared with the strains screened. Chlorella sp. ACUF_802 was characterized additionally by the effect of nitrogen and phosphorus limitating conditions in the growth medium. Laboratory scale experiments were done to evaluate the biofilm formation performance on textile fabrics. Photosynthetic activity, colonization percentage and biomass growth were investigated for two isolated Chlorella spp. Diffferences in biofilm formation performance were obswerved between the strains. It was found that combined analysis of non-destructive optical methods is an effective methodology for monitoring the early stages of biofilm development. Biofilm average thickness (106.37 ± 47 µm) was measured. Furthermore, as a promising valuable recovery product, phosphate distribution and localization during C: pyrenoidosa ACUF_808 and C. vulgaris ACUF_809 biofilms development were examined over time and keeping the spatial context unaltered. Using physiology measurements combined to advance microscopic, spectroscopic and mass spectrometric techniques were determined cellular growth, cell adhesion, physiological performance and nutrient (phosphate and nitrate) removal and visualized phosphate accumulation at single-cell level within the biofilms.Biomass production and nutrient removal efficiency by the microalgae Scenedesmus vacuolatus and C. vulgaris ACUF_809 from synthetic wastewater in a new laboratory configuration biofilm photobioreactor (PBR) was studied. Biofilm development on cotton fabric was followed in the PBR under semi-batch conditions during 41 days. Complete nutrient removal was obtained by S. vacuolatus ACUF_053 and five stages in the development of the biofilm were identified: 1) attachment, 2) biofilm formation, 3) maturation I, 4) selection/adaptation and 5) maturation II. In contrast, C. vulgaris ACUF_809 biofilm development showed a more regular biomass growth and constant removal efficiency. This research offers novel fundamental information in the field of microalgae biofilms formation with a scope for a wider range of scientific applications, including the possibility of coupled wastewater treatment with potential recovery of phosphate

Les biofilms ont longtemps été décrits comme des organisations évolutives de microorganismes, attachés à une surface et englués dans une matrice contenant, entre autre, des polysaccharides. En partant de ce constat BioFilm Control a souhaité cribler des microorganismes pour la production d’exopolysaccharides, en utilisant le BioFilm Ring Test® (BRT). Le principe repose sur la coincubation de microorganismes avec des particules magnétiques en microplaque. Les particules sont plus ou moins attirées par un aimant en fonction du stade d’organisation du biofilm. En se formant, il piège, dans sa matrice visqueuse, les particules qui perdent leur mobilité. Celle-ci est révélée par une aimantation qui provoque l’apparition d’un spot (pas de biofilm) ou non (biofilm). Une analyse d’images quantifie ce processus et permet de le standardiser. La démarche a consisté dans un premier temps à vérifier le comportement de microorganismes modèles producteurs de polysaccharides (bactéries et microalgues) avec le BRT. L’étude a été étendue au criblage d’une banque de lactobacilles. Les résultats inattendus ont orienté l’étude vers l’analyse du rôle exact des polysaccharides et plus généralement de l’implication des macromolécules dans la structuration du biofilm. Pour cela, la dégradation séquentielle de chaque famille macromoléculaire a été réalisée via des enzymes dépolymérisantes sur les biofilms de Leuconostoc mesenteroides et Bacillus sp. Au regard des résultats obtenus, l’utilisation du BRT a été étendue à la caractérisation qualitative et quantitative d’enzymes de dégradation de polysaccharides. / Biofilms were described for a long time as evolutionary structures elaborated by microorganisms, fixed on a surface and maintained in a polysaccharidic matrix. From this assessment, BioFilm Control chose to screen microorganisms for their capacity to produce exopolysaccharides (EPS), using theBioFilm Ring Test® (BRT). The principle is the co-incubation of magnetic particles with microbial culture on microplates. The mobility of particles depends on the stage of biofilm formation. During this formation, particles are trapped in the matrix and loose their mobility. Revelation is induced by magnet which causes a spot in the absence of biofilm. The pictures analysis quantifies this phenomenon and standardizes different results. This approach was realised, at first step, by the test of EPS-producing bacteria or microalgae with the BRT. The study was extended to the screening of a lactobacilli collection. Unexpected results guided the research toward the understanding of the role of macromolecules in biofilm structuring. To study their implication, sequential enzymatic degradation has been achieved for each macromolecular family of Leuconostoc mesenteroïdes and Bacillus sp. biofilms. Using the results, BRT was then appreciated as a suitable method to detect and quantify polysaccharide degrading enzymes.