Dans les océans, la fixation du carbone par le phytoplancton joue un rôle clé dans le cycle géochimique du carbone. La biodiversité des organismes photosynthétiques est considérable à partir des microalgues du plancton. Celles-ci, présentes sur la Terre depuis plus de quatre millions d’années, jouent un rôle important dans la chaîne alimentaire au sein des mers. Certaines microalgues sont eucaryotes, c’est-à-dire qu’elles possèdent des cellules à un seul noyau. D’autres, les cyanobactéries, sont dites procaryotes avec la caractéristique de ne pas posséder de noyau cellulaire.

Les molécules de chlorophylle, contenues dans les chloroplastes de la cellule végétale des microalgues, produisent par photosynthèse, avec le dioxyde de carbone de l’air et de la lumière, du dioxygène et de la biomasse : pour de 1 kg de microalgues et 1,6 kg de CO₂ consommés, on obtient 0,6 kg de biomasse (matière organique, ici d’origine végétale, source potentielle d'énergie) [1] [2].

Les microalgues sont constituées de trois familles de grandes macromolécules : des protéines, des polysaccharides (sucres) et des lipides (graisses). Pour augmenter le pourcentage de lipides, on cultive des microalgues. En particulier, lorsqu’elles sont soumises à des conditions de « stress » en les privant d’éléments nutritifs (azote par exemple), elles accumulent de l’amidon (chaînes de polysaccharides) mais surtout des lipides jusqu’à plus de 60 % de leur masse [3].

Valorisation pour produire des biocarburants

Des prototypes industriels sont réalisés. Pour cela on introduit le dioxyde de carbone dans un réacteur (2500 litres) tubulaire en zigzag ou hélicoïdal (550 m) dans une bouillie aqueuse de microalgues (25 kg), en présence d’une source de lumière [4]. Il existe aussi des réacteurs sous forme de bassins, appelés raceway en anglais par analogie aux champs de course [6].

On obtient du dihydrogène (appelé bio-hydrogène), des alcanes (appelé biokérosène), de l’amidon (qui conduira au bioéthanol) et des lipides (qui conduiront au biodiesel). Ce procédé industriel nécessite un contrôle précis de la quantité de CO₂, de l’intensité lumineuse, de la température, du pH… [5]

Pour extraire les huiles ainsi produites il faut des bassins de floculation, des unités de séchage sous pression, des opérations de centrifugation et des unités d’extraction par sonication (utilisation d’ultrasons) ou par dioxyde de carbone supercritique. Cela explique que le procédé ne soit pas encore opérationnel industriellement et fasse l’objet de nombreux développements [6].

Un autre domaine de valorisation concerne l’ophtalmologie

Ainsi, par exemple, à la base des flagelles des cellules de certaines variétés de microalgues on peut déceler un « œil » qui est composé d’une substance de type carotène comme la rhodopsine. Celle-ci tapisse la rétine de l’œil et absorbe les photons par fermeture des canaux ioniques des ions sodium et calcium qui restent ouverts dans l’obscurité [7].

Par ailleurs, certaines microalgues, telles que Porphyridium cruentum, apportent une autre variété de caroténoïde : la zéaxanthine. Ce composé existe aussi dans la rétine et est responsable de la vision des couleurs ! Mais cette substance se dégrade dans le temps et est responsable de la DMLA (dégénérescence maculaire de la rétine). Il faut savoir qu’une personne sur quatre âgées de plus de 75 ans va en être affectée [4].

La thérapie optogénétique consiste à insérer dans la membrane des algues unicellulaires des gènes codant pour une protéine photosensible des neurones de la rétine [7].

Pour approfondir et illustrer ce sujet

[1] « Les microalgues : pour quoi faire ? » conférence et article de Jack Legrand, Chimie et changement climatique, pp. 223-237, EDP Sciences (2016), ISBN : 978-2-7598-2035-1

[2] « Le dioxyde de carbone, la molécule-clé de la chimie du développement durable », Jacques Amouroux et al., La chimie et la nature, pp. 209-229, EDP Sciences (2012), ISBN : 978-2-7598-0754-3

[3] « Des microalgues pour la production de biocarburants de Fred Beisson et al., Clefs CEA, n° 61 (2013) pp. 49-52

[4] « Dioxyde de carbone et microalgues : pour une chimie renouvelable, conférence et article de Claude Gudin, Chimie et enjeux énergétiques, pp. 253-264, EDP Sciences (2012), ISBN : 978-2-7598-0973-8

[5] « Ça roule avec les algues », Les Savanturiers, n°15 (février 2016) p. 2

[6] « Les algocarburants, de nouveaux diesels miracles ? » de Jean-Claude Bernier, L’Actualité Chimique, n°375-376 (juillet-août 2013) p. 8

[7] « Faire revoir un aveugle avec le système photosensible d’une algue : bientôt une réalité ? », conférence et article de Serge Picaud, La chimie et les sens, EDP Sciences (2017), ISBN : 978-2-7598-2173-0
 

  
Illustration de la photosynthèse