Les algues comestibles

 

Histoire

 

Les algues sont consommées par l'Homme depuis la préhistoire. Les Aztèques pratiquaient l'algoculture de la spiruline comestible Arthrospira au xvie siècle. La première culture expérimentale d'algue unicellulaire fut réalisée par Beijerinck en 1890, avec une souche de Chlorella vulgaris 1. En 1919, Warburg utilise pour la première fois une culture d'algues comme modèle d'étude en physiologie végétale. Les premiers travaux portant sur la culture d’algues en masse en bassins ouverts furent menés par des scientifiques allemands durant la Seconde Guerre mondiale. Au début des années 1950, des chercheurs du Carnegie Institute, à Washington, des chercheurs s’intéressent à la culture d’algues pour réduire les teneurs en CO2. En 1960, aux États-Unis, Oswald et Golueke proposent de traiter les eaux usées en y cultivant des micro-algues, et de récupérer la biomasse obtenue pour la convertir en méthane (biogaz).

Durant les années 1970, les principaux pays producteurs de biomasse algale sont Israël, le Japon et l’Europe de l’Est. Il s’agit alors de cultures en bassins ouverts pour l’alimentation. En Afrique et au Mexique se développent par cette technique la culture de la Spiruline, au niveau du lac Tchad et du lac Texcoco.

En 1978, la crise du pic pétrolier incite le Department of Energy’s Office of Fuel Development des États-Unis à entamer des travaux sur la production de biomasse algale et sa transformation en biocarburants. Ces travaux, qui s’échelonneront de 1978 à 1996, seront brutalement interrompus avant de connaître un nouvel essor avec la recherche d’énergies renouvelables.

Alors que la production de biomasse algale présentait un attrait fort en aquaculture5, leur intérêt comme producteurs de composés fins en pharmacologie, cosmétologie et en agro-alimentaire a commencé à retenir de plus en plus l’attention des industriels et scientifiques. Les photobioréacteurs ont connu un très vif intérêt et développement technique dès les années 1990, en raison des contrôles plus poussés qu’ils permettent sur la production algale par rapport aux bassins ouverts.

Le domaine médical connaît également un attrait pour les algues. La présence de nombreuses biomolécules actives représente une manne intéressante dans la recherche de nouveaux composés d’intérêt pharmacologique. Citons par exemple les carraghénanes d’algues rouges pouvant prévenir d’infections virales ou encore le brévénal, composé produit par la micro-algue toxique Karenia brevis et qui pourrait être un composé efficace dans la lutte contre la mucoviscidose.

Le domaine des biotechnologies peut tirer avantage de la production en masse d’algues génétiquement modifiées. Il est ainsi possible d’utiliser la machinerie cellulaire de ces micro-organismes pour produire des protéines d’intérêt, grâce au génie génétique. Des travaux ont permis ainsi de synthétiser et d’assembler correctement l’anticorps monoclonal humain IgG1 dans des chloroplastes génétiquement modifiés de Chlamydomonas reinhardtii 8. De manière plus générale, la production en masse de vaccins recombinants par des micro-algues est possible et permet d’éviter certains risques de contamination parasites biologiques inhérents aux biotechnologies animales.

Depuis 1988, les diatomées présentent également un nouvel attrait dans le domaine des nanobiotechnologies : la frustule silicieuse de ces algues microscopiques est capable d’adopter des propriétés électroniques ou de permettre de délivrer des médicaments dans l’organisme. De plus, il est possible de jouer sur les propriétés opto-électroniques de la frustule en y incorporant par exemple du germanium.

Enfin, les micro-algues peuvent servir de filtres naturels afin de collecter des métaux lourds et particules toxiques, et peuvent être utilisées dans des programmes de phytoremédiation. Citons à titre d’exemple le programme de réhabilitation du lac de Salton Sea (Californie), fortement pollué par les rejets d’origine agricole.

 

Les méthodes de culture

 

L’algoculture (également appelé phycoculture) est une culture en masse des algues dans le but industriel et/ou commercial. Cela concerne autant les micro-algues (ou phytoplancton, microphytes, algues planctoniques) que les macro-algues (ou varech en français).

Cette activité aquacole a pour but de produire des aliments (pour la consommation humaine), des compléments alimentaires, des cosmétiques, des fertilisants, des produits vétérinaires et pharmaceutiques, des matières bio-plastiques, ou même des sources d’énergies renouvelables. Plus récemment encore sur les nanobiotechnologies (ou génie génétique).

Toutes les espèces d’algues ne sont pas encore cultivables. Certaines macro-algues sont donc encore prélevées en mer ou sur l’estran, à partir de gisements naturels. D’autres sont cultivées dans des « champs marins », comme les algues brunes Laminaria japonica (4,9 millions de tonnes par an) et Undaria pinnatifida (2,7 millions de tonnes par an). (voir pour plus de détails l’article sur la mariculture).

 

Bassins ouverts

 

Les micro-algues peuvent être cultivées en masse dans des bassins ouverts (lacs, lagunes, bassins naturels ou structures artificiels, comme les bassins de type « raceway») ou dans des photobioréacteurs fermés.

Certaines macro-algues sont également cultivées en bassin de type « raceway» avec une agitation mécanique (Chondrus crispus), ou par bullage intense basse pression (Gracilaria, Palmaria).

Les avantages majeurs des bassins ouverts restent leur facilité de construction et le fait qu’ils soient rapidement opérationnels et productifs. Mais les cultures y sont difficilement contrôlables, dépendant de la concentration atmosphérique en CO2 et de la luminosité naturelle, manquant de brassage du volume de culture, elles n’ont pas une productivité sur de longues périodes et peuvent facilement être contaminées par des parasites ou prédateurs extérieurs.

 

Photobioréacteurs

 

À l’inverse, les photobioréacteurs sont plus chers à construire et plus complexes à mettre en place, mais assurent un meilleur contrôle de la culture et une production plus durable dans le temps. Il en existe trois grands types:

Les photobioréacteurs à colonne verticale : faciles à stériliser, ils permettent une biomasse importante15. Mais leur réalisation nécessite un matériel sophistiqué et la répartition de la lumière est plutôt hétérogène à l’intérieur de la colonne.

Les photobioréacteurs tubulaires : faciles à réaliser, utilisables à l’extérieur, ils forment un réseau de tubes horizontaux, verticaux, obliques, coniques ou encore serpentins14. Ils assurent une bonne production de biomasse à moindre coût. Cependant, des gradients de pH, de CO2 et d’O2 dissous peuvent apparaître dans les tubes16, ainsi que des phénomènes de fouling, affectant la productivité du système.

Les photobioréacteurs plats : ils ont été introduits par Milner en 195317. Ils assurent une bonne pénétration de la lumière et une production importante de la biomasse et un fort rendement photosynthétique18, sont faciles à nettoyer et à tempérer pour les cultures et peuvent être installés à l’extérieur. L'accumulation de dioxygène dissous est relativement faible dans les photobioréacteurs plats par rapport aux photobioréacteurs tubulaires horizontaux. Mais ils créent des différences de température difficile à gérer et peuvent induire des stress hydrodynamiques chez certaines espèces d’algues.

Il faut également noter que pour résoudre les problèmes d’irradiance lumineuse dans la culture en photobioréacteur, des systèmes illuminés à l’intérieur du volume de culture par des lampes à fluorescence ont été proposés19. Ces systèmes présentent l’avantage de pouvoir être stérilisés à chaud et sous pression, mais restent difficiles à mettre en œuvre dans un environnement extérieur.

 

Fermenteurs

 

Certaines micro-algues peuvent être cultivées sans lumière, de manière hétérotrophique, en utilisant des substrats organiques comme sources nutritives. Ces systèmes de culture permettent la production de composés à fort intérêt pharmaceutique, et des cultures commerciales de Chlorella dans des fermenteurs à agitation sont communes20. Des procédés plus complexes, comme une alternance de cycles jours / nuits pour la mise en place de cycles photosynthétiques et hétérotrophiques, ont également été proposés. La micro-algue Euglena gracilis peut être ainsi cultivée selon cette méthode afin de produire de l’α-tocophérol.

 

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