Milieu et conditions de culture

La spiruline croît naturellement dans les eaux saumâtres et les lacs salins. Elle est présente dans les eaux chaudes, douces et alcalines, ainsi que dans certains lacs d’Afrique (lac Tchad) et d’Asie (lac Lonar). La spiruline est également cultivée en milieu contrôlé notamment dans les photobioréacteurs grâce à la synthétisation du milieu de culture.

2.3.1.1 Milieu de culture

Il s’agit d’une solution de sels minéraux et d’eau. Ce liquide doit apporter à la spiruline tous les éléments chimiques nutritifs qui lui sont nécessaires. Il s’agit de milieux très minéralisés riches en carbonate de sodium (Na2CO3) ou bicarbonate de sodium (NaHCO3), d’une source d’azote fixé et d’autres minéraux [77]. Ce milieu est peu propice à la croissance d'autres végétaux, et d’autres formes de vie au vu de son pH fortement alcalin. Aujourd’hui, de nombreux pays ont mis en place des fermes à spiruline grâce à la synthétisation du milieu de culture. Le plus connu et utilisé (milieu standard) est le milieu de Zarrouk [77]. Par ailleurs, même si la biomasse donnée n’est pas aussi élevée que celle du milieu de Zarrouk, des essais de milieux de culture sont effectués. Ces milieux sont composés de sels minéraux alternatifs, de nutriments essentiels avec des modifications de certaines concentrations [78], [79]. Certains auteurs montrent la possibilité d’utiliser les eaux usées ou de l’urine humaine traitées (élimination des éléments nuisibles pour l’homme) et auxquelles on ajoute certains sels minéraux [80], [81].

2.3.1.2 Conditions de culture

2.3.1.2.1 Influence du pH et de la température sur la croissance de la spiruline

Le pH et la température du milieu de culture influencent directement la vitesse de croissance de la spiruline. Le pH doit être compris entre 8 et 11. Le pH idéal se situe autour de 9,5. La spiruline ne commence à croître d’une manière appréciable qu’au-dessus de 20°C. La vitesse de croissance est maximale entre 35 et 37°C. Au-delà de cette température, on risque d’avoir une destruction de la culture (qui survient après

45 quelques heures au-delà de 43°C) [77], [82]. La spiruline peut survivre dans un milieu froid (jusqu’à -5°C). Les brusques variations de température sont néfastes pour la spiruline.

2.3.1.2.2 Influence de l’agitation sur la croissance de la spiruline

Il est impératif d’agiter, au moins 2 à 4 fois par jour une culture de spiruline. L'agitation du milieu de culture permet une bonne répartition de la lumière et favorise les échanges gazeux (élimination du dioxygène et absorption du gaz carbonique). Cependant, une agitation trop violente endommage la spiruline provoquant l’apparition de mousse. Certaines pompes centrifuges, ainsi que les chutes d’eau avec éclaboussures, sont spécialement néfastes [82]. L’agitation peut se faire avec une pompe électrique, ou par injection d’air au moyen d’un compresseur pour aquarium ou encore par une roue à aubes.

2.3.1.2.3 Influence de l’éclairage sur la croissance de la spiruline

2.3.1.2.3.1 Pigments photosynthétiques de la spiruline

Les cyanobactéries se distinguent des bactéries par la présence de chlorophylle A et de pigments accessoires hydrosolubles, les phycobilines rouge (phycoérythrine (PE)) et bleue (phycocyanine (PC)) (figure 2.9). La spiruline platensis contient également une autre phycobiline, l’allophycocyanine (APC). Les cyanobactéries possèdent aussi des caroténoïdes notamment le β-carotène. Leur coloration (vert, bleu, rouge,…) est liée à la présence simultanée de ces différents pigments suivant leur proportion. Elles réalisent la photosynthèse oxygénique et peuvent donc transformer l'énergie lumineuse en énergie chimique en fixant le dioxyde de carbone (CO2) et en libérant du dioxygène (O2). La présence de ces pigments permet à la spiruline d’absorber la lumière sur une large bande spectrale.

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Figure 2.9 : Spectres d'absorption de pigments photosynthétiques des cyanobactéries [83]

2.3.1.2.3.2 Influence de la lumière sur la croissance de la spiruline

La lumière est un facteur important dans la croissance des microalgues. Une limitation ou un excès de lumière peut donc avoir des conséquences sur le métabolisme des cellules et de leur croissance. La réponse des algues par rapport à l’intensité de lumière peut être décrite à partir de la courbe de réponse photosynthétique en fonction de l’irradiance (P/I) (figure 2.10).

Figure 2.10 : Réponse photosynthétique des microalgues suivant l'intensité lumineuse [84]

Les flèches vides indiquent la direction de la réponse d’acclimatation à de fortes intensités de lumière et les flèches pleines, la direction de la réponse d’acclimatation aux faibles éclairements. Rd est la respiration sombre (ou respiration à l’obscurité), Pmax, le taux de photosynthèse maximum, Ic, l'énergie lumineuse de maintien, α, le taux photosynthétique maximale, Ik, l'intensité lumineuse de transition entre la lumière

47 limite et la lumière de saturation de la photosynthèse et Ii, l'intensité lumineuse au-dessus de laquelle il y a la photo inhibition.

Cette courbe comprend trois parties : 1. La lumière de limitation

C‘est l’intensité de lumière comprise entre Ic et Ik. Dans cette région, l’activité photosynthétique croit avec l’intensité lumineuse. La transition entre cette zone et la zone de saturation est donnée par Ik et s’exprime par l’équation suivante :

I_G ⁶HIJ

α (2.1) 2. La lumière de saturation

Dans cette partie, l’activité photosynthétique reste constante pour des valeurs d'éclairement plus ou moins élevées. Au-delà de la lumière de saturation, les photons sont absorbés mais ne sont pas utilisés. En effet, les cellules photosynthétiques atteignent leur capacité de conversion des photons en énergie chimique. Les réactions d'assimilation du CO2 deviennent limitantes. Ainsi, la détermination de la valeur de l’intensité lumineuse correspondant à Pmax permet d’obtenir un éclairage optimal.

3. La photoinhibition

La photoinhibition est le processus par lequel l’excès de lumière induit une diminution de la vitesse de la photosynthèse. Ainsi, la cellule reçoit plus d’énergie lumineuse qu’elle ne peut en absorber pour la synthèse de l’adénosine triphosphate (ATP) et l’assimilation du carbone. La photosynthèse s’arrête donc et les cellules meurent [85], [86]. Lors de ce phénomène, le photosystème II (PSII) est inactif. Il peut subvenir alors une dégradation irréversible au sein des cellules du fait de l’accumulation d’électrons entre les deux photosystèmes (PSII et PSI). Afin d’éviter la photoinhibition, la cellule met en place des processus de photoprotection par l’élimination de l’énergie en excès sous forme de chaleur grâce aux caroténoïdes ou par l’inactivation du PSII [87], [88]. La photoprotection va conduire à accroitre l’activité photosynthétique : c’est la photoacclimatation de la cellule [89].

2.3.1.2.3.3 Système d’éclairage pour spiruline

Comme les plantes, la qualité et la quantité de lumière influencent la croissance et la physiologie de la spiruline. De nombreuses recherches sont effectuées sur l’éclairage artificiel des microalgues notamment la spiruline à cause de ses vertus. Des

48 travaux expérimentaux [90], [91] montrent les effets de différents types de lumière et présentent le potentiel des LEDs dans l’éclairage algoculture. Dans le tableau 2.1, nous présentons des résultats sur la concentration en biomasse, les teneurs en protéines et lipides de travaux concernant l’éclairage appliqué à Spirulina Platensis. Un cas de la Spirulina Maxima est également spécifié dans le tableau 2.1.

Tableau 2.1 : Effets de la qualité et de la quantité de la lumière sur la spiruline

Sources d’éclairage Effets Références

LEDs Blanc (380 -760 nm) Rouge (620-645 nm) Jaune (587-595 nm) Vert (515- 540 nm) Bleu (460-475 nm) (3000 µmol·m-2·s-1)

Les biomasses obtenues sont dans l’ordre : Rouge > blanc > vert > jaune > bleu

[92]

LED blanc froid Tube fluorescent Lumière naturelle (660 µmol·m-2·s-1)

Biomasses quasi identiques [93]

Tube Fluorescent I1 = 3 Klux, I2 = 3,5 Klux, I3 = 4 Klux, I4 = 4,5 Klux et I5 = 5 Klux S. maxima

La biomasse dans l’ordre : I5 > I4 > I3 > I2 > I1 la teneur en chlorophylle : I1 > I2 > I4 > I3 > I5 Et l’accumulation en protéine : I5 > I3 > I2 > I4 > I1 [94] LEDs Blanc (380 -760 nm) Rouge (628 nm) Jaune (590 nm) Vert (540 nm) Bleu (470 nm) (50 µmol·m-2·s-1)

La biomasse, la teneur en chlorophylle, l’accumulation en protéine et lipide sont dans l’ordre suivant :

bleu > blanc > rouge > vert > jaune [95]

LEDs Blanche chaude Rouge (660 nm) Jaune (550 nm) Bleu (430-460 nm) (100 µmol·m-2·s-1)

La biomasse est dans l’ordre suivant : rouge >blanc > jaune >bleu

la teneur en chlorophylle :

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