Les algocarburants, la promesse énergétique attendue ?
Un TPE de Yoann Launay, Lucas Jousseaume et Elyes Zribi.
( I ) Les micro- algues ; des organismes photosynthétiques
( 1 ) Qu'est-ce qu'une micro-algue ?
(A) Définition
Ces fameuses algues que l'on trouve à la plage par exemple, sont appelées « macro-algues » . En effet, de l'ordre du centimètre, voir du mètre, leurs tailles varient beaucoup selon les espèces. On peut trouver plusieurs pigmentations différentes, telles que le rouge, le vert ou le marron.
Cependant, c'est aux micro-algues que nous nous intéressons. Vous n'en n'avez jamais vu ? C'est normal, leurs tailles ne dépassent pas 100 micromètres.
Ces petits organismes sont unicellulaires. Ils appartiennent aux phytoplanctons ; c'est-à-dire des organismes végétaux vivant en suspension dans l’eau. Aujourd'hui, les scientifiques estiment entre 200 000 et 7 millions, le nombre d'espèces de micro-algues différentes. Cela nous amène donc à une certaine classification ( voir à droite). Ce schéma montre la diversité et l'importance des algues et micro-algues.
Arbre de parenté des Eucaryotes
Les micro-algues sont donc très diversifiées et il existe encore d'autres familles. On peut également préciser une chose ; 3 MILLIARDS d'années. C'est l'apparition des premières micro-algues. Et depuis, elles résistent. De nombreux extrêmophiles et l'étendue des différents milieux de vie présentés montrent bien leur résistance ; eaux douces, salées, saumâtres et également eaux acides, glaces. Ce sont donc des êtres vivants avec une très bonne capacité d'adaptation.
Espèces principales de micro-algues
(B) Structures
Notre TPE ne porte que sur les eucaryotes.
Les différents plastes ches les chlorophylliens
(wikipédia.org)
La structure interne d'une micro-algue est particulièrement ressemblante à celle d'un quelconque autre végétal. Elle possède un noyau avec son information génétique, une double membrane plasmique et de très nombreux organites. On y dénombre des mitochondries (apport d'énergie) et des plastes, organites spécifiques aux végétaux. Il y a donc des chloroplastes (photosynthèse) et des oléoplastes , qui sont souvent des plastoglobules pour le stockage éventuel de lipides ( voir (3) ).
Certaines algues peuvent se déplacer lorsqu'elles sont munies de flagelles (maximum 2). On en trouve principalement chez les chrysophycées, les pyrrophytes et évidemment chez les euglénophycées célèbres pour leur mobilité. En voici une espèce : des chlamydomonas.
Ainsi toutes les micro-algues ont à peu près le même matériel vivant mais ce n'est pas le cas des différentes formes qu'elles peuvent prendre.
Voici quelques exemples intéressants ;
(image google.fr)
Forme en étoile : Staurastrum
(http://www.photomacrography.net/)
Forme en croissant : Closterium moiliferum
(Proyecto Agua/Water project, Flickr)
Forme en spirale : Arthrospira
(http://www-cyanosite.bio.purdue.edu/)
Forme sphérique : porphyridium
(http://www.lookfordiagnosis.com/)
(C)Milieu de vie
La plupart des algues se développent en milieu aquatique d'eau douce, saline ou saumâtre, mais certaines sont terrestres ; certaines algues se développent sur des rochers humides, sur le tronc des arbres (Pleurococcus, Chlorophyte), ou sur un sol mouillé (Nostoc, Cyanobactérie). D'autres vivent en symbiose avec des protozoaires (Zooxanthelles et zoochlorelles couplées à Paramecium bursaria), avec des plantes (Anabaena couplées à Azolla ou Cycas), des hydraires, des bryozoaires, des mollusques, des vers ou encore des coraux chez lesquels elles se développent dans le cytoplasme. D'autres vivent aussi en symbiose avec des champignons pour former les lichens. Les micro-algues, grâce à leur chlorophylle, absorbent le gaz carbonique de l’air et, par photosynthèse créent de l'organique et produisent de l'oxygène. Elles sont donc autotrophes. Précisons donc ce métabolisme...
Zoochlorelles (vertes) en symbiose dans Paramecium bursaria
(http://www.cnrs.fr/)
( 2 ) Métabolisme photosynthétique
(A) Accès à la lumière
La photosynthèse telle que nous la connaissons fait intervenir la lumière. Mais comment nos algues y ont elles accès dans l'eau ? Pour commencer étudions la lumière. L'Homme ne perçoit que les radiations avec une longueur d'onde comprise entre 400 et 800 nanomètres. Il s'agit du domaine du visible. L'ensemble des radiations qui le composent forment en les additionnant, la lumière blanche ; celle qu'émet le soleil. Il existe aussi d'autres radiations telles que les ultraviolets et les infrarouges non-visibles.
Intensité des différentes radiations d'émissions du spectre solaire
(http://www.astrosurf.com/luxorion/corpsnoir-etoiles.htm)
Couleurs associées aux différentes longueurs d'onde visibles
(http://www.discip.crdp.ac-caen.fr/phch/lycee/premiere/1l/3Lumieres_colorees_Couleurs/3Lumieres_colorees_Couleurs.html)
Les différentes couleurs visibles du spectre sont plus ou moins rapidement absorbées dans l'eau. La couleur rouge (grande longueur d'onde), est la première à disparaître: dès 25 mètres de profondeur. Le jaune est visible jusqu'à 100 mètres et le vert, 250 mètres environ.
Le bleu et le violet ont des longueurs d'onde leur permettant de pénétrer à de grandes profondeurs au delà des 500m. On dénombre 3 zones :
Zone oligophotique ( 0 - 50 m ): zone où peuvent se développer les végétaux chlorophylliens et notamment les algues vertes qui absorbent principalement les radiations à environ 430 nm ( Bleu-violet ) et 660 nm ( Orange- rouge ) ; voir les pics d'absorption du schéma ci-dessous.
Zone euphotique (50 - 500 m): Seules les algues rouges et brunes peuvent s'y développer et pratiquer la photosynthèse car elles absorbent respectivement ; le vert et le bleu, et le jaune et le bleu.
Zone aphotique ( au delà de 500 m): Zone obscure et sans végétation.
Pénétration des différentes radiations solaires dans l'eau
selon la profondeur
(http://cpns85.fr/algues/)
(B) Phase Claire
Chez les micro-algues, comme chez tout autre organisme photosynthétique d'ailleurs, le métabolisme de la photosynhèse semble se résumer par une seule équation .
Seulement c'est bien plus complexe que cela et demande un peu d'attention. De plus, dans le cas des micro-algues, c'est très intéressant et surtout plus poussé. La photosynthèse est divisée en 2 phases ; une phase « claire » (ou photochimique) et une phase « sombre » (ou biochimique). Commençons par la phase claire qui a lieu dans les chloroplastes.
Schéma d'un chloroplaste
(http://www.cours-pharmacie.com/biologie-vegetale/la-photosynthese.html)
Etape 1
(1.1)
La chlorophylle est un pigment vert qui permet de réaliser la photosynthèse. Il en existe plusieurs types, Chlorophylle a, b, c1, c2, d et f... a, la plus répandue, a pour formule C55H72O5N4Mg. Nous l'appellerons Chl.
Lorsque la chlorophylle est éclairée elle absorbe une partie de la lumière et se retrouve dans un état dit « excité » ( noté *). C'est la photo-excitation. Pour revenir à un état normal, elle va émettre un électron en s'oxydant.
(1.2)
Parallèlement, a lieu ce qu'on appelle la « photolyse de l'eau », si vous préférez, une oxydation de l'eau. Cette réaction est responsable de l'émission de dioxygène, mais aussi d'une libération d'électrons et d'ions H+.
Etape 2
(2.1)
Tous ces électrons vont en partie servir à réduire la chlorophylle pour la régénérer ( la réduire ). C'est le cycle de la chlorophylle.
(2.2)
Les autres électrons dont celui de la « désexcitation », vont être transportés par une série d'oxydo-réductions dans la membrane du thylakoïde grâce à des accepteurs d'électrons R (oxydant).
(2.3)
Cependant, la photolyse de l'eau entraîne un excès et donc une accumulation d'ions H+ dans les cavités de la Thylakoïde. Ils forment ce qu'on appelle un gradient de protons (flux) qui migre vers le Stroma, soit une sorte d'énergie dans notre cas.
Etape 3
(3.1)
Cette énergie va permettre d'activer un enzyme pour qu'il fabrique de l'ATP (Adénosine TriPhosphate ), nécessaire pour la deuxième phase.
(3.2)
L'accepteur final de la chaîne est NADP+, il va donc se réduire à l'aide d'ions hydrogènes, pour donner NADPH, nécessaire également pour la suite.
(C) Phase sombre
La phase sombre se déroule dans le Stroma. Les molécules d'ATP et de NADPH vont venir contribuer à un cycle synthétique, dit « cycle de Calvin ».
Phase 1 : Fixation du CO2
Le cycle de Calvin fait intervenir le CO2 . En effet, c'est lui qui « recycle » celui-ci en l'incorporant à l'algue sous forme de matière organique. Très simplement ; il est d'abord incorporé à des molécules organiques déjà présentes telles que le RuBP (Ribulose-1,5-bisphophate), et cela grâce à un enzyme-clé ; le ribulose bisphosphate carboxylase/oxygénase (appelé Rubisco). A ce stade, on obtient de l'acide 3-phosphoglycérique, une molécule carbonée instable. C'est pourquoi il faut la réduire.
(D)Démonstration expérimentale
Pour démontrer l'utilisation de la photosynthèse, nous avons monté un système avec des micro-algues chlorophylliennes (elles vous seront présentées plus précisément en II) Pour cela nous avons utilisé les propriétés de l'hydroxyde de potassium ; il absorbe le C02 pour devenir un mélange de carbonate de potassium et d'eau de la façon suivante ; 2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O .
Ainsi le montage, prive nos algues du dioxyde de carbone nécessaire à la photosynthèse. On peut voir que l'eau de chaux ne blanchit pas, c'est-à dire qu'il n'y avait bien plus de dioxyde de carbone à l'arrivée de la culture. A T=0, il y avait 4300 microalgues par µL. Tandis qu'à T=7 , il n'en restait plus que 3000 par µL. L'expérience montre donc que la photosynthèse est vitale pour ces organismes autotrophes mais aussi qu'elle ne peut avoir lieu sans ce carbone.
( 3 ) Vers la production de lipides
Phase 2 : Réduction
L’énergie de l’ATP est alors utilisée pour synthétiser le glycéraldéhyde-3-phosphate ; une partie de celui-ci sera conservée car il s'agit d'un glucide, une molécule carbonée.
Phase 3 : Régénération du ribulose
Enfin le glycéraldéhyde-3-phosphate restant , est recyclé en ribulose bisphosphate par l'intermédiaire de l'ATP.
Le cycle de Calvin peut alors recommencer.
Le stockage de lipides résulte d'un déséquilibre transitoire entre le flux de molécules carbonées organiques issu de la photosynthèse et le flux d'autres éléments nécessaires à la croissance (phosphore et azote) pris dans le milieu. La cellule, qui est carencée en l'un de ces éléments, n'interrompt pas immédiatement l'acquisition du CO2 nécessaire à la photosynthèse, alors qu'elle ne peut pas l'utiliser pour construire des protéines puisque, par exemple, l'azote est manquant. Elle doit donc stocker ce flux, et chez certaines espèces, ce stockage a lieu principalement sous forme de lipides. Pour les diatomées, les flux d'azote sont remplacés par du silicium ( notamment Phaelodactylum).
Ainsi, on observe chez ces espèces de micro-algues des organites particuliers : les oléoplastes. Les oléoplastes sont des organites spécifiques des cellules végétales spécialisés dans le stockage des lipides, essentiellement sous forme de plastoglobules (gouttelettes lipidiques sphériques de triglycérides le plus souvent, synthétisés à partir d'acides gras venant des chloroplastes ). Ce sont des plastes sans pigments.
Voilà donc ce qui intéresse nos scientifiques.
Les micro-algues sont donc des organismes séduisants, mais de quelles manières les scientifiques les cultivent pour les exploiter ensuite ?