Les algues sont les végétaux les plus anciens et les plus répandus aujourd’hui. Toute vie marine et terrestre dépend de leur présence et de leur activité métabolique.

Les algues se caractérisent par une capacité de prolifération rapide et une productivité importante de la matière première, par exemple jusqu’à 15 tonnes par hectare et par an pour certaines algues brunes (source : Lexique de la Biotechnologie, Schlee et Kleber).

Historique

Il y a 3,5 milliards d’années, l’atmosphère était très infavorable à la vie. Elle était composée majoritairement d’ammoniaque, de dioxyde de carbone, d’azote, de méthane et de gaz sulfuriques. Les bactéries et les cyanobactéries habitaient les océans et constituaient les plus anciennes formes de vie terrestre. L’abondance de chlorophylle (un pigment vert) explique l’indépendance des cyanobactéries aux énergies externes. Elles utilisaient la chlorophylle pour produire du sucre à partir du dioxyde de carbone et de l’eau - la naissance de la photosynthèse.

Environ 1/2 milliard d’années plus tard (il y a donc 3 milliards d’années), un autre événement clé changeait l’évolution de la vie sur terre : les eucaryotes (du grec, eu : vrai et karuon : noyau), des organismes unicellulaires possédant un noyau, se sont développés. L’association des cellules eucaryotes avec les cyanobactéries (postulé par la théorie endosymbiotique en 1979), permettaient aux eucaryotes la production d’énergie à l’aide des cyanobactéries. Toutes les plantes sont porteuses des descendants de cyanobactéries qui sont responsables de la photosynthèse. Ces unités ou organelles cellulaires nommées "plastides" comprennent les chloroplastes, chromoplastes, leucoplastes (source : Botanik Online).

Pendant 2 milliards d années, les algues ont constituées les seules plantes sur terre.

Les plantes terrestres se sont développées il y a 1/2 milliards d’années d’une ligne d’algues vertes et ont commencé à occuper l’espace terrestre.

Les familles d’algues

Des organismes initialement unicellulaires, une grande variété d’algues multicellulaires, de couleurs, de formes et de tailles différentes s’est développée pendant 2 milliards d années. La nomenclature des nombreuses algues existant jusqu’à aujourd’hui est basée sur la présence des pigments (chlorophylle, carotenoides, phycobilines) et de produits de photosynthèse. On distingue notamment les algues vertes (chlorophyta), rouges (rhodophyta) et brunes (phéophyta). Bien qu’il n’existe pas une vision unique sur l’ordre phylogénétique des différentes divisions, les pigments de photosynthèse constituent un élément solide pour en définir l’origine. Certaines divisions comme les algues rouges et vertes ont acquis leurs plastides indépendamment les unes des autres et ne proviennent pas du même ancêtre. Le point commun est le mécanisme d’acquisition des bactéries par endosymbiose. Cependant les cellules hôtes et les cyanobactéries étaient différentes.

Les parois cellulaires des algues rouges et brunes contiennent très peu de cellulose et consistent en d’autres polysaccharides. Leur stabilité suffit pour la vie aquatique. Il n’y pas d’évidence dans l’évolution des formes terrestres bien que l’on trouve des algues dans des habitats temporairement secs (ex : au bord de l’eau).

Ci-dessous une vision générale des caractéristiques biochimiques de plusieurs divisions d’algues :

Prolifération et forme de vie

Les algues forment des thalli, c’est à dire qu’elles poussent sous forme multicellulaire différenciées, mais ne constituent pas de structure végétative vasculaire des plantes terrestres correspondant à des organes comme les racine, les tiges ou la feuille. La culture en laboratoire d’un faible nombre d’algues a permis d’étudier prècisement leur cycle de vie.

Certaines algues (ex : diatomées, microalgues unicellulaires) prospèrent en conditions environnementales extrèmes, par exemple, isolées, dans des eaux chaudes (températures jusqu’à 100 °C) ou encore en arctiques.

Sous forme de lichens, les algues forment des structures symbiotiques avec des champignons pour capable d’habiter des écosystèmes extrèmes. En général, l’algue (phycosymbiote, algues vertes ou cyanobactéries) fournit des produits de photosynthèse au champignon. Le champignon (mycosymbiote) fournit les mineraux et protège l’algue des influences nocives de l’environnement, notamment du déssèchement.

Caractéristiques physiologiques et biochimiques

Grâce à leur composition chimique riche en protéines, hydrates de carbone et / ou lipides, on utilise des algues comme source alimentaire ou ressource pour des applications variées.

Ci-dessous la composition chimique de différentes algues (% de poids sec)

A part les éléments majeurs de la biomasse listés ci-dessus (protéines, hydrates de carbone, lipides), les fibres, le calcium, le phosphore et le fer sont les principaux éléments chimiques qui complètent la composition des algues.

Les algues contiennent des acides aminés essentiels, c’est à dire ceux qui ne peuvent pas être synthétisé par le métabolisme humain.

Ci-dessous la composition en acides aminés (g par 100g protéine totale) de différentes variétés d’algues :

Applications biotechnologiques

Leur composition riche en hydrates de carbone, protéines et acides gras insaturés rendent les algues intéressantes pour divers secteurs dont l’alimentation animale et humaine, l’agriculture, la production de biomasse, biodiesel ou biométhane ainsi que la production de produits médicaux, pharmaceutiques ou cosmétiques. Ce potentiel est peu connu du grand public et pourtant très utilisé, notamment en Asie.

Aspects positifs

et applications biotechnologique

- Leur composition riche en hydrates de carbone, protéines et acides gras insaturés (notamment des acides omega 3) rendent les algues intéressantes pour l’alimentation animale et humaine. Leur utilisation comme complément nutritionnel peut être attribuée à la présence d’une variété des composants nutritionnelle. C’est ainsi que plusieurs additifs et colorants alimentaires sont obtenus à partir des algues, i.e. des vitamines (A, B12, C, E, Biotin, riboflavine, nicotinsäure) et des carotènes (Beta-carotène, astanxanthines, chlorophylle).
L’utilisation des algues comme aliment peut être remontée au moins jusqu’au 6^ième siècle au Japon et en Chine. Aujourd’hui, ces deux pays avec la corée du Nord sont les plus grands producteurs mondiaux. La Chine récolte plus de 5 millions tonnes par an, la Corée du Nord plus de 800.000 tonnes et le Japon plus de 600.000 tonnes (source : FAO report, A guide to the seaweed industry, 2003).

- Agar, alginate et carraghénane sont des sucres (polysaccharides) qui sont essentiellement présents dans les parois cellulaires de certaines algues et qui trouvent des applications dans pharmacie, agroalimentaire et cosmetique. Les alginates et les carraghénanes sont classés comme additifs alimentaires par l’Union Europénne et portent les codes E 400 – 405 et E 407. En Europe, ils peuvent être utilisés pour les produits classés « bio » (source : Food Standards Agency).
Aujourd’hui plus d’un million tonnes d’algues sont recoltées à l’échelle mondiale pour parvenir à exploiter au final 55.000 tonnes d’hydrocolloides ce qui représent une valeur financière supérieure à 585 millions USD (source : FAO report, A guide to the seaweed industry, 2003).

• L’agar est un polysaccharide muqueux qui est exploité des algues rouges (ex : Euchema, Gelidium, Gracilaria). L’agar est constitué d’unités de galactose, d’agarose et d’agaropectine. Il est extrait des algues préalablement blanchies et récupéré par filtration. On l’utilise comme gélifiant des crèmes (cosmétiques et alimentaires) ou des confitures, aussi pour faire de la patisserie. Même lorsqu’on n’est pas fan des algues dans nos assiettes, on en a probablement déjà mangé plus qu’une fois ! Sa force gélifiante est beaucoup plus puissante que celle de la gélatine des os, peaux et couennes des animaux. Il sert aussi comme gélifiant en microbiologie pour les milieux de culture de microorganismes.
• Similairement à l’agar, les aliginates sont des sucres obtenus des algues brunes. Ce sont les sels de l’acide aginique lui même constitué de l’acide mannuronique et guluronique. On l’utilise comme gélifiant et épaississant en agroalimentaire. Les alginates et leurs dérivés sont aussi utilisés en médecine, en chirugie, cosmétique et pour d’autres biotechnologies.
• Les carraghénanes sont des polysaccharides, plus précisement des galactanes, estérifiés avec l’acide sulfurique des algues rouges (ex : Chondrus crisous, Gigartina mammilosa et stellata). Comme l’agar et les alginates, ils sont utilisés comme gélifiant dans l’industrie agroalimentaire, pour les produits pharmaceutiques et la cosmétique (Source : Lexique de la biotechnologie, Schlle et Kleber).

- Les algues peuvent être utilisées comme matière première pour la production de biomasse, biodiesel ou biométhane par fermentation. Pour cela plusieurs critères sont analysés : la productivité, la facilté pour les récoltes, des coûts similaires de production par rapport à d’autres ressources de biomasse.
Cette culture s’inscrit dans la production d’énergie durable : Les champs d’algues pourront être installés offshore ou à proximité des installations industrielles et éventuellement couplés avec des systèmes de gestion des sémissions de CO₂.

- Depuis des centaines d’années, les algues vertes, brunes et rouges trouvent également leur applications comme engrais dans l’agriculture grâce à leur contenu riche en magnesium, calcaire et oligo-éléments. Mélangé avec du sable, même de la terre pauvre en élément nutritif peut devenir exploitable pour l’agriculture biologique.

- La caillasse ou diatomée (Bacillariophyta) est une microalgue utilisée dans l’industrie agroalimentaire et pour la cosmétique. La particularité des diatomées est le dépot de silice dans leur parois. Les diatomées sont un composant majeur du plancton marin : le dioxyde de silicium issu du dépôt d’algues est caractérisé par des pores fins et trouve des applications en chimie, biologie et physique pour la filtration et la chromatographie. On l’utilise en mèdecine dentaire pour le plombage ainsi que pour la fabrication du papier et le poncage. Grâce à sa surface rapeuse, il est également utilisé pour la protection des plantes contre les insectes (source : Lexique de la biotechnologie, Schlee et Kleber).

- Plusieurs algues produisent des antibiotiques ou d’autres molécules qui sont intéressantes pour la mèdecine et / ou la nanotechnologie. Par exemple, une étude ménée à l’Université d’Ohio suggère qu’un groupe des composées chimiques d’algues brunes, les polyphénoles, pourrait protéger la peau contre le cancer causé par l’irradiation d’UV B (source : BioMedicine). Egalement, une collaboration de chercheurs de l’Université de Californie a identifié un composant d’une algue verte originaire du Pacifique du Sud, le somocystinamide A) présentant des propriétés anti-cancérogène (source : News-Medical.Net).

- L’utilisation de quelques microalgues est établie sur le marché cosmétique, en particulier Arthrospira et Chlorella. Un extrait riche en protéines d’Arthrospira mise sur le marche sous le nom "Protulines" repare les premiers signes du veillissement de la peau et renforce la peau (source : Exsymbol, Monaco). L’extrait de Chlorella vulgaris est commercialisé ("Dermochlorella") pour sa capacité à stimuler la synthèse du collagène et à réduire les rides (source : Codif, France).

- Le traitement des eaux usées peut être accélérés par l’usage de certaines algues. La biomasse produite à partir des algues doit alors être éliminée pour garder le système en équilibre. Si elle n’est pas contaminée elle peut par exemple être utilisée pour l’alimentation des animaux.

Aspects négatifs

L’entrée des eaux usées dans les fleuves et mers polluent les bases d’alimentation et provoquent la prolifération et la domination dans l’écosystème de certaines algues au détriment d’autres.
La conséquence regrétable est que les algues plus précieuces, dont la prolifération et parfois moins rapide ou possible uniquement dans des eaux propres, meurent.

Nous connaissons le problèmes de la prolifération rapide des algues qui peut transformer des lacs contaminés par les engrais en une patée verte nauséabonde et potentiellement toxique. Quand les algues meurent et sont métabolisées par des microorganismes, la forte consommation d’oxygène peut provoquer l’hypertrophisation.

Le plancton produit de la biomasse précieuse et exploitable qui est recoltée de la mer et transformée dans les sites spécialisés. Les algues comme tout autre organisme vivant sont menacées par l’exploitation humaine éffrénée. L’éradication et l’affaiblissement des certaines algues sont des conséquences perceptibles.

Comme matière première pour la production de biomasse, biodiesel ou biométhane les coûts sont encore élévés pour une production économiquement viable (source : SolarBioFuels).

Contraintes

Toute vie marine et terrestre dépend de la présence et de l’activité métabolique des différentes variétés d’algues.

- Protection des algues ? Les algues sont des organismes qui peuvent habiter des endroits très divers. On les trouve dans les océans, les zones glacées ainsi que dans les déserts ou sources chaudes. Leur exploitation pose le problème de leur protection.

- Le potentiel des algues en tant que ressource d’énergie renouvelable commence juste à intéresser. Les problèmes techniques et les coûts associés aux systèmes de culture des algues sont encore importants pour conduire à la commercialisation de biodiesel. Néanmoins, la propreté en terme d’émissions de CO₂, le caractère renouvelable des algues ainsi que la hausse du prix du pétrole en font une ressource d’énergie à exploiter pour le futur. La question n’est pas tant si, mais plutôt quand, les algues prendront elles une position forte parmi les énergies renouvelables ?

- L’Europe cherche à établir une économie marine durable en accord avec l’environnement (source : Water Information System for Europe). Quel peut être la place des algues et des applications associées dans une telle politique ? Comment va t’on travailler à la protection de la biodiversité, des habitats marins et à l’amélioration de la qualité d’eau ?

D’après Kiplinger’s Biofuels Market Alert, les algues devraient s’imposer sur le long terme par rapport aux autres ressources conduisant à la production de biocarburants liquides grâce à la conjugaison de leurs avantages pratiques, économiques et écologiques.

Références

General Microbiology, H.G. Schlegel (1993), Cambridge University Press

Lexique de la biotechnologie (1991) Schlee et Kleber, Edition Gustav Fischer

EPOBIO – rapport sur l’utilité des algues pour les applications industrielles (anglais)

Food Standards Agency, Royaume-Uni

WISE – Water Information System for Europe

Kiplinger’s Biofuels Market Alert

Commercial Applications for Microalgae, review de P : Spolaore (anglais)

FAO report, A guide to the seaweed industry, 2003