Etude de l’assimilation de substrats carbonés légers par la microalgue Chlorella protothecoides en mixotrophie pour la production de bioplastiques ou biocarburants

Le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) est un acteur majeur de la recherche, du développement et de l'innovation en France. Organisme public de recherche, il est impliqué dans quatre domaines principaux : la défense et la sécurité, les énergies bas carbone (nucléaire et énergies renouvelables), la recherche technologique pour l'industrie, et la recherche fondamentale en sciences physiques et de la vie.

Titre du stage :

Etude de l’assimilation de substrats carbonés légers par la microalgue Chlorella protothecoides en mixotrophie pour la production de bioplastiques ou biocarburants

Contexte et objectifs du stage :

Les organismes photosynthétiques sont capables de fixer du carbone minéral (CO₂, carbonates…) afin d’en faire des molécules complexes à la base de la chaîne alimentaire. Certaines microalgues photosynthétiques possèdent aussi la capacité de croître sans lumière en assimilant des molécules organiques par hétérotrophie. L’un des freins à la production grande échelle de microalgues cultivées en photoautotrophie est la faible productivité surfacique, dépendante principalement de l’ensoleillement naturel. L’éclairage solaire est en effet limité en intensité et, en absence d’énergie solaire disponible pour la photosynthèse, les alternances diurnes entraînent une perte significative de biomasse la nuit par respiration. Pour remédier à ces limitations, il est possible d’apporter simultanément à la lumière une ou des sources de carbone organique : c’est la mixotrophie. Cette stratégie de croissance fait l’objet d’un intérêt grandissant car elle permet d’utiliser des nutriments considérés comme des déchets comme substrat pour les microalgues ((Turon, 2015), (Perez-Garcia and Bashan, 2015)) et de produire des métabolites à haute valeur ajoutée (Castillo et al., 2021). Outre les acides gras volatils obtenus par fermentation anaérobie (acétate, lactate, butyrate…), la réduction catalytique du CO₂ en formiate par l’énergie solaire est une voie d’avenir qui permettrait d’obtenir un substrat prometteur pour les microalgues (Jiang et al., 2023).

Ce stage s’insère dans le cadre d’un projet PEPR financé par l’ANR dont l’objectif est d’optimiser la croissance en mixotrophie de microalgues afin d’une part d’augmenter la productivité surfacique des cultures en lumière naturelle et d’autre part d’optimiser la consommation d’acides gras volatils à faible valeur commerciale (acide formique, acétique…). L’objectif secondaire est de faire accumuler des molécules de réserve (lipides, polysaccharides…) ayant des applications possibles dans le domaine des biocarburants ou des bioplastiques, en substitution aux molécules pétrosourcées actuellement utilisées.

Méthodologie

L’étudiant commencera son travail par une étude bibliographique lui permettant de comprendre et de décrire les voies métaboliques utilisées par les microalgues pour l’assimilation de différents substrats organiques légers (≤6 C) en hétérotrophie et mixotrophie. Les différentes stratégies d’assimilation seront ensuite mises en application au laboratoire sur une chlorophycée ayant déjà été identifiée comme prometteuse lors de premiers tests (Chlorella protothecoides UTEX29). Pour ça, il réalisera des expériences de croissance cellulaire en suivant la consommation des substrats organiques testés et en mesurant l’évolution de la teneur en composés de réserve (amidon, lipides).  Ces expériences originales seront comparées avec un contrôle obtenu dans des conditions purement photoautotrophiques. En parallèle à ces tests, le stagiaire mettra en place une petite expérimentation d’optimisation de la population afin de quantifier sur deux mois l’évolution de la cinétique de consommation d’un substrat choisi (en s’inspirant par exemple de  (Yao et al., 2023)).  

Techniques mises en œuvre : incubateurs, photobioréacteur, culture de microalgues, GC-FID, HPLC, Chromatograhie ionique, culture cellulaire

Références

Castillo, T. et al. (2021) ‘Mixotrophic cultivation of microalgae: An alternative to produce high-value metabolites’, Biochemical Engineering Journal, 176, p. 108183. Available at: https://doi.org/10.1016/j.bej.2021.108183.

Jiang, J. et al. (2023) ‘Formate for enhancing the growth of microalgae and accumulating high-value products’, Algal Research, p. 103261. Available at: https://doi.org/10.1016/j.algal.2023.103261.

Perez-Garcia, O. and Bashan, Y. (2015) ‘Microalgal Heterotrophic and Mixotrophic Culturing for Bio-refining: From Metabolic Routes to Techno-economics’, in A. Prokop, R.K. Bajpai, and M.E. Zappi (eds) Algal Biorefineries: Volume 2: Products and Refinery Design. Cham: Springer International Publishing, pp. 61–131. Available at: https://doi.org/10.1007/978-3-319-20200-6_3.

Turon, V. (2015) Couplage de la fermentation sombre et de l’hétérotrophie microalgale: influence du mélange de métabolites fermentaires, de la lumière, de la température et des bactéries fermentaires sur la croissance algale. phdthesis. Université de Montpellier. Available at: https://hal.inrae.fr/tel-02801400 (Accessed: 5 October 2023).

Yao, S. et al. (2023) ‘Enhancing overall carbon fixation and energy conversion with formate in green microalga Chlamydomonas reinhardtii’, Algal Research, 72, p. 103108. Available at: https://doi.org/10.1016/j.algal.2023.103108.

Outre les compétences techniques nécessaires au stagiaire afin de devenir rapidement opérationnel et autonome au niveau expérimental, ce stage requiert notamment rigueur et curiosité intellectuelle. Des compétences rédactionnelles solides, essentielles pour la mise en forme et la restitution des résultats, sont également attendues, ainsi qu’une capacité à s'intégrer au sein d'une équipe pluridisciplinaire.