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

La digestion anaérobie est un processus biologique dans lequel un consortium microbien complexe fonctionnant en absence d’oxygène transforme la matière organique en biogaz, principalement en méthane et en dioxyde de carbone. Parmi les substrats organiques, les lipides sont les plus productifs de méthane par rapport aux glucides et aux protéines; mais leur dégradation est très difficile, en raison de leur hydrolyse qui peut être l’étape limitante. Les algues peuvent être une source importante pour la production de méthane à cause de leur contenu en lipides potentiellement élevé. L’objectif de cette étude était, par conséquent, d’évaluer la production en méthane des microalgues en utilisant la technique du BMP (Biochemical méthane Potential) et d’identifier les limites de biodégradion des lipides dans la digestion anaérobie. Le plan expérimental a été divisé en plusieurs étapes: 1) Comparer le potentiel énergétique en méthane des macroalgues par rapport aux microalgues. 2) Faire le criblage de différentes espèces de microalgues d’eau douce et marines afin de comparer leur potentiel en méthane. 3) Déterminer l'impact des prétraitements sur la production de méthane de quelques microalgues ciblées. 4) Identifier les limites de biodégradation des lipides algaux dans la digestion anaérobie, en étudiant les étapes limitantes de la cinétique des lipides et de chacun des acides gras à longues chaines. Les résultats ont montré que les microalgues produisent plus de méthane que les macroalgues. Les BMP des microalgues d'eau douce et marines n'ont montré aucune différence en termes de rendement en méthane. Les résultats des prétraitements ont montré que le prétraitement thermique (microonde) semblait être plus efficace que le prétraitement chimique (alcalin). Les tests de contrôle du BMP faits sur l'huile de palme, l’huile de macadamia et l'huile de poisson ont montré que l'hydrolyse des huiles en glycérol et en acides gras à longues chaines n'était pas l'étape limitante dans la production de méthane. L'ajout de gras dans les échantillons de Phaeodactylum dégraissée a augmenté le rendement de méthane et cette augmentation a été corrélée à la quantité de matières grasses ajoutées. / Anaerobic digestion is a biological process in which an anaerobic microbial consortium converts organic matter into biogas, primarily methane and carbon dioxide. Among the organic substrates, lipids are the most productive of methane in comparison to carbohydrates and proteins; but their degradation is very difficult, due to their hydrolysis which can be the limiting step. Algae can be an important source for methane production because of their potentially high content of lipids. The objective of this study was, therefore, to evaluate the methane production of microalgae using the Biochemical methane Potential (BMP) technique and to identify the limit of biodegradation of lipids in the anaerobic digestion. The experimentation plan was divided into the following stages: 1) Compare the energy potential in methane of macroalgae versus microalgae. 2) Screen different species of freshwater and marine microalgae to compare their methane potential. 3) Determine the impact of mild pretreatment of targeted microalgae on the methane production. 4) Identify the limits of biodegradation of algal lipids in the anaerobic digestion by studying kinetics limiting steps of lipids and individual LCFA (Long Chain Fatty Acids). The results showed that microalgae produce more methane than macroalgae. The BMP of freshwater and marine microalgae showed no difference in terms of methane yield. The results of pretreatment showed that the thermal (microwave) pretreatment seemed to be more effective than the chemical (alkaline) pretreatment. A BMP control test done on palm oil, macadamia oil and fish oil showed that the hydrolysis of oils in glycerol and LCFA was not the limiting step in the production of methane. The addition of fat in the samples of defatted Phaeodactylum increased the methane yield and this augmentation was correlated to the quantity of fat added.

L’équilibre de l’écosystème microbien du caecum (Ca) et du colon ventral droit (Cn) équin peut être rompu par un changement brusque d’aliments et par une ration riche en amidon, et conduire à l’apparition de coliques. Chez des chevaux soumis à ces deux pratiques alimentaires, nous avons étudié les modifications de ces écosystèmes, de l’écosystème microbien fécal et de paramètres sanguins. Nous avons également testé la supplémentation composée de Saccharomyces cerevisiae et de microalgues Schizochytrium limacinum dans le cadre d’une collaboration avec Alltech. Nous avons montré que les écosystèmes microbiens du Ca et du Cn, stables lors d’un régime foin, pouvaient être rapidement modifiés par le stress provoqué par les deux pratiques alimentaires. Chez les chevaux supplémentés certains taxons bactériens potentiellement fibrolytiques ont augmenté dans le Ca et le Cn, et les dysbioses résultant d’un régime riche en amidon ont été limitées. Nous avons identifié plusieurs paramètres fécaux et sanguins reflétant les variations de l’écosystème microbien du Ca et Cn lors d’un changement de régime: les groupes bactériens fonctionnels, les abondances relatives de taxons bactériens (la famille XIII de Clostridiales, Succinivibrionaceae et des genres appartenant à Ruminococcaceae, Lachnospiraceae ou Prevotellaceae), les proportions et le ratio d’AGV, la concentration de valerate, les lipopolysaccharides fécaux ainsi que le beta-hydroxybutyrate sanguin. Ces paramètres semblent prometteurs pour diagnostiquer les dysbioses du gros intestin équin et prévenir l’apparition des coliques chez le cheval. / The balance of the microbial ecosystem of the caecum (Ca) and the right ventral colon (Cn) of the horse can be disturbed by an abrupt change of feed and by a high-starch diet, and lead to appearance of colic. We investigated the alterations of these ecosystems, of the faecal microbial ecosystem and of blood parameters in horses subjected to these two dietary practices. In addition, we tested a supplementation combining the yeast Saccharomyces cerevisiae and the microalgae Schizochytrium limacinum, in a context of partnership with Alltech. We showed that the Ca and Cn microbial ecosystems were stable under a hay diet, and can rapidly be modified under a stress caused by the two dietary practices. In supplemented horses, some potential fibrolytic bacterial taxa increased in the Ca and Cn, and the dysbiosis resulting from a high-starch diet were limited. We identified several faecal and blood parameters reflecting the variations of the Ca and Cn microbial ecosystem under a change of diet: the bacterial functional groups, the relative abundances of bacterial taxa (family XIII of Clostridiales, Succinivibrionaceae and genera belonging to Ruminococcaceae, Lachnospiraceae or Prevotellaceae), the proportion of acetate and propionate, the VFA ratio, the valerate concentration, the faecal lipopolysaccharides and the blood beta-hydroxybutyrate. These parameters appeared promising to diagnose dysbiosis in the proximal hindgut and thus prevent colic appearance in horses.

Depuis plusieurs années, la recherche dans le domaine des bioénergies s'oriente de plus en plus vers l'utilisation des microorganismes (bactéries, levures, moisissures et microalgues) pour la production de biocarburants. Face au contexte actuel de développement durable, l'utilisation des microorganismes oléagineux photoautotrophes (cyanobactéries et microalgues) semble potentiellement plus intéressante d'un point de vue économique (énergie solaire) et environnemental (assimilation de CO2) malgré des productions plus faibles que celles des microorganismes oléagineux hétérotrophes (levures et moisissures). L'objectif général de ces travaux de thèse a donc été d'étudier l'accumulation de lipides neutres et d'hydrocarbures chez Botryococcus braunii race A (chlorophycée unicellulaire d'eau douce), sélectionnée pour son potentiel de production après une étude bibliographique et d'évaluer les mécanismes naturels d'exsudation de ces métabolites. Afin de fiabiliser la quantification et l'identification des composés lipidiques produits par la microalgue, des méthodes d'analyse qualitative et quantitative par HPLC ont été mises au point. Les résultats analytiques ont permis de montrer que les méthodes d'extraction et quantification décrites dans la littérature conduisaient à surévaluer la teneur en hydrocarbures synthétisés par la souche B. braunii Utex 572. Les études menées lors de ce travail de thèse ont également permis de déterminer l'impact des principaux facteurs abiotiques (milieu de culture, pH, CO2, intensité lumineuse, salinité) sur la production de biomasse, lipides neutres et hydrocarbures par B. braunii et d'en définir les conditions optimales. L'étude de la flore bactérienne naturellement présente dans les cultures de B. braunii en conditions non axéniques et de sa dynamique a montré que celle-ci n'avait pas ou peu d'impact sur la production de biomasse et de lipides neutres chez B. braunii dans les conditions de l'étude. L'application d'un stress oxydatif à une culture de B. braunii en phase stationnaire n'a pas engendré le phénomène de « milking » recherché mais a eu un impact positif sur l'accumulation de lipides intracellulaires et sur la synthèse de triglycérides. / Biofuels produced from vegetable oils or microbial cultures, are an alternative to fossil fuels that can reduce the human impact on the environment. For several years, research in the field of bioenergy is moving increasingly toward the use of microorganisms (bacteria, yeasts, fungi and microalgae) for the production of biofuels. In the current context of sustainable development, the use of photoautotrophic oleaginous microorganisms (cyanobacteria and microalgae) seems potentially more interesting economically (solar energy) and environmentally (CO2 assimilation) despite lower production rates than those of heterotrophic oleaginous microorganisms (yeasts and moulds). The overall objective of this thesis has been to study the accumulation of neutral lipids and hydrocarbons in the A-race Botryococcus braunii (unicellular green alga of freshwater), selected on its potential production after literature review, and to evaluate the mechanisms of natural exudation of these metabolites. To reliable quantification and identification of lipid compounds produced by microalgae, methods of qualitative and quantitative analysis by HPLC were developed. The analytical results have shown that the extraction and quantification methods described in the literature led to overestimate the amount of hydrocarbons synthesized by the strain B. braunii Utex 572. The studies in this thesis have also identified the impact of key abiotic factors (culture medium pH, CO2, light intensity, salinity) on biomass production, neutral lipids and hydrocarbons by B. braunii and to define the optimal conditions of production. The study of the bacterial flora naturally present in cultures of B. braunii under non axenic conditions and its dynamics showed that it had little or no impact on the production of biomass and neutral lipids in B. braunii in the conditions of the study. The application of oxidative stress to a culture of B. braunii at the stationary phase did not cause the sought phenomenon of "milking" but had a positive impact on the accumulation of intracellular lipid and triglyceride synthesis.

Les conditions de culture de microalgues autotrophes en système ouvert associant microalgues / bactéries ont été étudiées au cours de ce travail de thèse. L'objectif était de développer un procédé de valorisation des nutriments (N, P) contenus dans la phase liquide des digestats issus de méthanisation agricole. Dans un premier temps, une synthèse sur les filières de méthanisation suivi d'un état de l'art sur les microalgues et leurs conditions de culture ont permis de mettre en évidence les principaux paramètres d'influence spécifiques à l'influent étudié, tels que la coloration, et les interactions avec les processus de nitrification/dénitrification. Ainsi, dans le but de mieux comprendre les mécanismes et d'évaluer les impacts des paramètres principaux, un pilote de laboratoire composé de 6 réacteurs de 2,5 litres a été conçu et des analyses spécifiques ont été développées au laboratoire. A partir de ces outils, l'effet de la couleur et de la lumière sur la pénétration de la lumière et sur la croissance algale a été quantifié. Ensuite, l'influence du ratio N/P du milieu a été testée, ce qui a permis de mettre en exergue le stockage du phosphore par les microalgues, leur permettant de continuer leur croissance lorsque le phosphore du milieu est épuisé. Par la suite, le transfert du dioxyde de carbone et son impact sur la croissance des microalgues ont été étudiés. La productivité algale est fonction de la quantité de CO2 fournie à la culture et chute à 0 sans injection. Enfin, l'étude du temps de séjour des solides et de leur fréquence d'extraction a révélé que la nitrification-dénitrification est un mécanisme important d'élimination de l'azote dans une culture algale en continu et en système ouvert. Il peut même s'avérer prédominant par rapport à l'assimilation de l'azote par les microalgues dans certaines conditions. La proportion de chacun de ces processus peut néanmoins être contrôlée par ces paramètres. Ces expérimentations ont par ailleurs permis de mieux comprendre les interactions entre microalgues et bactéries nitrifiantes ainsi que la prédominance des genres d'algues en fonction des conditions de culture. Les microalgues sont de meilleures compétitrices sur le phosphore que les bactéries nitrifiantes. De plus, lorsque le phosphore n'est pas limitant, la nitrification est réduite en proportion de la productivité algale. En cas de limitation en phosphore et avec une faible lumière disponible, les genres d'algues qui se sont montrés dominants sont Scenedesmus sp. et Chlorella sp. Respectivement. Les essais expérimentaux ont été complétés par le développement ou l'adaptation de modèles biocinétiques capables de représenter la croissance algale et l'épuration assez fidèlement. A partir de cette modélisation, différentes configurations ont été simulées pour dimensionner un lagunage algal à haut rendement et ainsi mieux comprendre et apprécier la faisabilité d'une culture algale pour extraire les nutriments des digestats. / The culture conditions of autotrophic microalgae in open system associating microalgae/bacteria were studied in this thesis. The objective was to develop a process to valorize nutrients (N, P) contained in the liquid phase of digestate coming from agricultural methanization. First, a synthesis of anaerobic digestion process followed by a state of art on microalgae and their culture conditions allowed to highlight the main parameters specific to the studied influent, such as coloration, and the interactions with nitrification-denitrification processes. To better understand the mechanisms and study the impact of the main parameters, a laboratory-scale pilot composed of six 2.5L-reactors was designed and specific analyses were developed at the laboratory. With the help of those tools, effects of color and light on light penetration and on microalgae growth were quantified. Then, the study of the N:P ratio of the medium allowed to highlight the phosphorus storage by microalgae, allowing them to continue their growth while the phosphorus of the medium was depleted. Thereafter, the carbon dioxide transfer and its impact on microalgae growth were studied. The algal productivity is a function of the quantity of provided CO2 into the culture and fall to zero without injection. Finally, the study of solid retention time and extraction rate revealed that nitrification-denitrification is an important mechanism for nitrogen removal in a continuous algae culture in open system. This mechanism may even be predominant compared to nitrogen assimilation by microalgae under certain conditions. The proportion of each of these processes may still be controlled by these parameters. These experiments have also provided insight into the interactions between microalgae and nitrifying bacteria and the predominance of algae genera depending on culture conditions. Microalgae are better competitors on phosphorus than nitrifying bacteria. Furthermore, in non-limiting phosphorus conditions, nitrification is reduced in proportion to algal productivity. Scenedesmus and Chlorella proved to be dominant respectively when phosphorus and light are limiting. The experimental trials were completed by the development or the adaptation of biokinetic models able to represent quite accurately microalgae growth and nitrogen removal. From this model, different configurations were simulated to design high rate algal pond and assess the feasibility of the algal culture to extract nutrients from digestate.

Les microalgues sont de plus en plus regardées pour leurs potentiels énergétiques et leurs nombreuses applications. Mais les systèmes de production actuels, que se soit les systèmes dits ouvert comme les bassins ou les systèmes fermés, appelés photobioréacteurs, sont très énergivores et pas assez productifs. Cette thèse propose un nouveau concept de photobioréacteur, composé d'un airlift et d'une plaque mince. Le photobioréacteur est caractérisé expérimentalement et est modélisé sous plusieurs aspects. L'hydrodynamique du système est modélisée pour prédire le comportement des fluides dans le système. Les phénomènes de transferts de masse sont modélisés par le modèle des deux films. La modélisation permet de connaitre l'apport minimum nécessaire en dioxyde de carbone pour la culture des microalgues et permet d'évaluer la concentration en oxygène dissous dans le photobioréacteur. Elle permet aussi d'évaluer son élimination par le système, l'oxygène étant inhibant pour la culture. Les phénomènes de transferts de chaleur sont aussi modélisés, permettant de connaitre l'impact des différents paramètres (ensoleillement, température de l'air ambiant) sur la température de culture. Ces différents modèles sont rassemblés en un modèle global qui est comparé aux résultats expérimentaux de culture d'algues. Le modèle global est ensuite utilisé dans un contexte plus complexe : l'intégration des plaques minces du photobioréacteur aux parois d'un bâtiment. Le modèle global permettra d'étudier l'effet les différentes orientations (Nord, Sud, Est, Ouest en vertical sur les façades et à l'horizontal sur les toits) sur les températures et productivité du système. La consommation d'énergie de la culture est optimisée grâce au modèle. A la suite de cette optimisation, certaines perspectives sur l'intégration énergétique d'un tel système sont proposées. / Microalgae are more and more studied for their energy potential and various applications. However, the actual production processes (open and closed photobioreactor) use a lot of energy and aren't productive enough. This thesis presents a novel process of microalgae culture, with an airlift system coupled to a thin plate. The photobioreactor is experimentally characterized and modeled for many aspects. Hydrodynamics of the system is modeled to predict the fluid behavior in the system. Mass transfers are modeled using the two film model. The model allows knowing minimum carbon needs for microalgae culture. It also allows evaluating dissolved oxygen concentration in the photobioreactor and its elimination efficiency. Oxygen is inhibiting the culture at high concentration. Heat transfers are also modeled, allowing to know climate parameters impact (sunshine, ambient air temperature) on culture temperature. All models are assembled in a global model. This model is compared to microalgae culture experimental results. Finally, the global model is used to study a more complex system: culture thin plates are integrated on the walls of buildings. Global model allow studying different orientation effects on temperature and productivity of the system. Culture is optimized for energy consumption and some perspectives on energy integration of such a system are proposed.

Les microalgues autotrophes sont une source prometteuse de biomasse pour des applications aussi variées que l'extraction de molécules, l'alimentation animale et humaine, la production énergétique ou la décontamination environnementale. La production de masse est donc en forte augmentation dans le monde. Cependant, les techniques actuelles pour caractériser l'état physiologique des cellules algales au cours de la croissance sont coûteuses en main d'œuvre et en temps, souvent basées sur du matériel de mesure générique répondant mal au cahier des charges. Elles sont inadaptées à la mesure en ligne.De nouveaux outils doivent donc être développés pour optimiser le pilotage des procédés de culture, en effectuant des mesures rapides de l'état physico-chimique des cellules. La spectroscopie visible (VIS) et proche infrarouge (NIR) se présente comme une solution pratique. De plus des travaux antérieurs ont démontrés que les propriétés spectrales d'absorption et de diffusion des cellules d'algues dans le domaine VIS-NIR sont très corrélées à leur caractéristiques chimiques (pigments) et physiques (tailles, densité des cellules). Les densités de cellules considérées en cultures denses sont très élevées (10^6-10^9 cellules/mL), rendant inévitables les phénomènes de multidiffusion. Cependant ces derniers ont été identifiés comme gênants pour l'extraction de données à partir des spectres mesurés, car ils rendent l'hypothèse de validité de la loi de Beer Lambert fausse. Dans cette thèse nous nous intéressons à l'extraction de données sur la physiologie des cellules algales à partir de mesures spectrales effectuées sur des échantillons denses, non-dilués, directement issus du milieu de culture. Notre approche se décline en plusieurs axes, correspondants aux différentes échelles de description du problème. D'abord, l'échelle de l'échantillon algal global est considérée. Nous en définissons les propriétés spectrales apparentes, et analysons le problème pratique de leur mesure. Nous avons utilisé un montage à double sphères d'intégration et développé un protocole de mesure complet, que nous décrivons. Ensuite, les propriétés spectrales linéaires intrinsèques au milieu algal sont abordées, et nous cherchons à les reliées aux propriétés apparentes de l'échantillon. Pour cela nous utilisons le formalisme de l'équation de transfert radiatif (ETR) donnant une modélisation rigoureuse des phénomènes de multidiffusion à l'œuvre dans les milieux turbides. En pratique, résoudre l'ETR ne peut se faire que par une approximation ou la simulation. Dans nos travaux nous examinons la méthode Adding-Doubling et son inverse, utilisées avec succès par d'autres équipes sur des échantillons turbides de tissus biologiques. En troisième lieu, l'échelle de description de la cellule d'algue individuelle est abordée. AlgaSim, un programme de simulation basé sur la théorie de Mie étendue, a été développé au cours de cette thèse pour modéliser les spectres d'absorption et de diffusion d'une cellule algale décrite par ses paramètres physiologiques, tels que la taille et le poids sec, les proportions des différents matériaux cellulaires, la quantité et la composition des pigments. Ainsi, les liens entre propriétés physiques et chimiques de la cellule et ses propriétés spectrales sont étudiés. Enfin, une méthode complète est proposée pour articuler toutes les échelles de description précédemment examinées. Les liens entre propriétés intrinsèques du milieu algal et les propriétés optiques individuelles des cellules sont cherchés. Les paradigmes développés aux différentes échelles sont ensuite mis bout à bout pour relier la description physiologique des cellules d'algue aux propriétés spectrales apparentes mesurées sur un échantillon donné. La méthode est testée sur des échantillons algaux réels. Les premiers résultats sont prometteurs, démontrant le potentiel opérationnel de la spectroscopie VIS-NIR pour le suivi de procédés de culture dense de microalgues. / Autotrophic microalgae are seen as a promising source of biomass for various applications such as chemicals extraction, animal and human food, energy production and environment cleaning. Consequently, the global mass production of microalgae has largely increased over the last decade. However, the current techniques used for the characterization of the algal cells all along the growth process require time-consuming sample preparation, a large amount of costly, standard instrumentation and cannot usually be performed in situ.New tools are needed to optimize the monitoring of the cultivation process by providing a faster measurement of the microalgal cells physical and chemical states. For this purpose, utilizing visible (VIS) and near infrared (NIR) spectroscopy is looked as a promising solution. Moreover, previous studies demonstrated that the spectral absorption and scattering properties of microalgal suspensions in the VIS-NIR domain depend heavily on the chemical characteristics (pigments) and physical characteristics of the cells (size, density of the cells). In a context of cultivation process, cell density in the culture medium is very high (10^6-10^9 cell/mL) which makes the multi-scattering phenomena significant. However, recent studies have showed that the data extraction from spectroscopic measurements performed on turbid samples is highly complicated by the influence of the scattering phenomena on the spectra, making the classical processing methods based on the assumption of Beer law irrelevant. This thesis addresses the issue of retrieving information about the physiological state of microalgal cells from spectral measurements performed on non-diluted, dense bulk culture media. For this purpose, our approach includes successive guidelines, corresponding to different scales of description. First, the scale of the bulk algal aliquot is considered: the apparent spectral properties are defined, and the practical issue of measuring them with an adapted setup is investigated. In particular, a double-integrating sphere setup, as well as a complete measurement protocol are implemented. Second, the intrinsic linear spectral properties of the dense algal medium are defined, and the links between the intrinsic and apparent spectral properties are investigated. The formalism of the radiative transport equation (RTE) is used for this purpose, as it rigorously models the physical phenomena due to multiple scattering. Solving the RTE must be implemented in practice with an approximation or simulation method. In this work, we investigate in particular the Adding-Doubling method and its inverse, which have been proved to be adapted to the case of highly turbid organic tissues and materials. Third, the scale of an individual algal cell is considered. In this thesis we have developed a simulation program called AlgaSim based of the extended Mie theory, which makes it possible to simulate the spectral absorption and scattering properties of an algal cell described by its physiological characteristics, such as its mean size and dry weight, proportions of different cell materials and pigment quantity and composition. The links between the chemical and physical properties of an algal cell and its spectral properties are thus investigated.Finally, a complete method is proposed to link all the scales of description. In particular, the links between the intrinsic spectral properties of an algal medium and the individual properties of the constitutive cells are considered. By organizing all the paradigms previously investigated, it is possible to implement a complete model linking the physiological description of the constitutive algal cells to the apparent spectral properties measured on a dense culture sample. The method and its inverse are tested on real algal samples. They show promising primary results, proving the operational potential of VIS-NIR spectroscopy for the monitoring of dense algal cultures.

Il s’agit de l’étude des successions écologiques du phytoplancton dans la lagune de Ghar El Melh au niveau de 5 stations pendant (i) un suivi bimensuel allant du janvier 2011 à janvier 2012 et (ii) un suivi saisonnier à partir du novembre 2012 à mars 2013. L’étude écologique a été consacrée au microphytoplancton en relation avec les facteurs abiotiques (température, salinité et nutriments) et biotiques (microalgues épiphytes, kystes des dinoflagellés, ultraplancton et ciliés). L’analyse hydrologique du milieu a montré une variation principalement saisonnière de la plupart des paramètres avec des valeurs élevées de la température et de la salinité en été et des concentrations exceptionnelles des nutriments en automne et en hiver. Le phytoplancton de la lagune de Ghar El Melh a été principalement dominé par les dinoflagellés et les diatomées avec une manifestation alarmante des espèces nuisibles atteignant plus que 70 % du peuplement. Ces proliférations ont été remarquées durant toute l’année avec une manifestation plus marquante dans les régions internes de la lagune ce qui est principalement tributaire à la température de l’eau, l’azote total, le nitrogène et l’orthophosphate. Une importante contribution des espèces épiphytes au phytoplancton a été signalée notamment celle du dinoflagellé toxique Prorocentrum lima. L’inventaire spécifique du phytoplancton dominé par l’espèce Prorocentrum micans (> 28 %) et d’autres espèces ne produisant pas de kyste a été en concordance avec les faibles valeurs enregistrées pour les kystes de dinoflagellés dans le sédiment où le maximum enregistré a été de l’ordre de 229 kystes g-1. Une part importante de l’ultraplancton a été représentée par le nanophytoplancton et les hétérotrophes procaryotes, dépassant largement les concentrations microphytoplanctoniques, ce qui est un indice de l’eutrophisation du milieu. Des corrélations hautement significatives ont été trouvées entre le microphytoplancton et les organismes microzooplanctoniques évoquant un probable rôle de ces derniers dans le contrôle des proliférations microalguales nuisibles. / We explored the distribution of the microphytoplankton community in relation to both abiotic (temperature, salinity and nutrients) and biotic factors (epiphytes microalgae, dinoflagellate cysts, ultraplankton and ciliates) in Ghar al Melh Lagoon at 5 stations during (i) a biweekly sampling from January 2011 to January 2012 and (ii) a seasonal sampling from november 2012 to march 2013. The results pointed out a seasonal variation of all parameters with high water temperature and salinity in summer and exceptional concentrations of nutrients in autumn and winter. Microphytoplankton was mainly dominated by dinoflagellates and diatoms with sequences of harmful species proliferation attaining more than 70 % of total phytoplankton. These sporadic proliferations occurred throughout the year with exacerbation in the inner parts of the lagoon mainly related to temperature and total nitrogen, nitrogen and orthophosphate. An important contribution of epiphytic species to phytoplankton abundance was recorded with especially the presence of the toxic dinoflagellate Prorocentrum lima. Microphytoplankton was dominated by Prorocentrum micans (> 28 %) and other non-cyst former species consistent with the low dinoflagellate cysts found at sediment surface (maximum = 229 cysts g-1 DS). Urtraplankton was chiefly represented by nanophytoplankton and heterotrophic prokaryotes, with low microphytoplanktonic abundance. This indicates that the lagoon is undergoing eutrophication. Significant correlations were reported between phytoplankton and microzooplankton suggesting a potential role of the former in controlling harmful microalgae proliferations.

Les lipides des microalgues et les glucides de cyanobactéries peuvent être transformés en biodiesel et en bioéthanol, respectivement. L'amélioration de la production de ces molécules doit prendre en compte les entrées périodiques (principalement la lumière) forçant le réseau métabolique de ces organismes photosynthétiques. Il est donc nécessaire de tenir compte de la dynamique du réseau métabolique en réduisant sa dimension pour assurer la maniabilité mathématique. Le but de ce travail est de concevoir une approche originale pour réduire les réseaux métaboliques dynamiques tout en conservant la dynamique de base. Cette méthode est basée sur une séparation en échelles de temps. Pour une classe de modèles de réseaux métaboliques décrits par des ODE, la dynamique des systèmes réduits est calculée à l'aide du théorème de Tikhonov pour les systèmes singulièrement perturbés. Cette approximation quasi-stationnaire coïncide avec la dynamique du réseau d'origine, avec une erreur bornée. L'approche est d'abord développée pour les systèmes de réaction pouvant être linéarisés autour d'un point de travail et forcés par des entrées continues. Ensuite, une généralisation de cette méthode est donnée pour les réseaux à réactions rapides de cinétiques de Michaelis-Menten et tout type de cinétiques lentes, prenant également en compte un nombre fini d'entrées continues externes. La méthode de réduction met en évidence une relation entre la grandeur de la concentration des métabolites et la gamme des vitesses de réaction : les métabolites consommés par les réactions rapides ont une concentration inférieure d'un ordre de grandeur à celle des métabolites consommés à faible vitesse. Cette propriété est satisfaite pour les métabolites à dynamique rapide ne se trouvant pas dans un piège de flux, concept introduit dans ce travail. Le système réduit peut être calibré avec des données expérimentales à l'aide d'une procédure d'identification dédiée basée sur la minimisation. L'approche est illustrée par un réseau métabolique de microalgues autotrophes, comprenant le métabolisme central et représentant la dynamique des glucides et des lipides. Cette approche permet de bien ajuster les données expérimentales de Lacour et al. (2012) avec la microalgue Tisochrysis lutea. Enfin, un schéma visant à optimiser la production de molécules cibles est proposé en utilisant le système réduit. / Lipids from microalgae and carbohydrates from cyanobacteria can be transformed into biodiesel and bioethanol, respectively. Enhancing the production of these molecules must account for the periodic inputs (mainly light) forcing the metabolic network of these photosynthetic organisms. It is therefore necessary to account for the dynamics of the metabolic network, while reducing its dimension to ensure mathematical tractability. The aim of this work is to design an original approach to reduce dynamic metabolic networks while keeping the core dynamics. This method is based on time-scale separation. For a class of metabolic network models described by ODE, the dynamics of the reduced systems are computed using the theorem of Tikhonov for singularly perturbed systems. This Quasi Steady State Approximation accurately coincides with the original network dynamics, with a bounded error. The approach is first developed for reaction systems that can be linearized around a working point and that are forced by external continuous inputs. Then, a generalization of this method is given for networks with fast reactions of Michaelis-Menten kinetics and any type of slow kinetics, also considering a finite number of external continuous inputs. The reduction method highlights a relation between the concentration magnitude of the metabolites and the range of the reaction rates: the metabolites that are consumed by fast reactions have concentration one order of magnitude lower than metabolites consumed at slow rates. This property is satisfied for metabolites with fast dynamics that are not in a flux trap, a concept introduced in this work. The reduced system can be calibrated with experimental data using a dedicated identification procedure based on minimization. The approach is illustrated with an autotrophic microalgae metabolic network, including the core metabolism and representing the carbohydrates and lipids dynamics. The approach efficiently fits the experimental data from Lacour et al. (2012) with the microalgae Tisochrysis lutea. Finally, a scheme to optimize the production of target molecules is proposed using the reduced system.

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