Étude avancée pour la production de biostimulants végétaux à base de microalgues cultivées dans des effluents de déchets pour une agriculture durable

Advanced study for the production of microalgae-based plant biostimulants from waste streams for a sustainable agriculture

• Auteur / Autrice : Angela Sanchez quintero
• Direction : Susana de Matos Fernandes, Jean-Baptiste Beigbeder, Amandine Adrien Dit Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires
• Date : Soutenance le 22/09/2025
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau)
• Jury : Président / Présidente : Ivet Ferrer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Susana de Matos Fernandes, Jean-Baptiste Beigbeder, Amandine Adrien Dit Richard, Gabriel Francisco Acien Fernandez, Jean-François Sassi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ivet Ferrer, Gabriel Francisco Acien Fernandez
• DOI : 10.70675/daf1b281zb4f4z4545z84b1zc15981c5f662

Mots clés

Mots clés contrôlés

Agriculture durable

Microalgues

Digestat

Mots clés libres

Biostimulants végétaux

Extraction

Microalgues

Digestate

Biorémediation

Agriculture Durable

Plants Biostimulants

Microalgae

Extraction

Sustainable Agriculture

Digestate

Bioremediation

Résumé

La surpopulation et le changement climatique ont conduit à la nécessité d'augmenter la productivité agricole de manière durable. Parmi les solutions envisageables pour surmonter cette problématique, l'utilisation de biostimulants végétaux (BVs) à base de microalgues présente un fort potentiel pour réduire l'usage d'engrais synthétiques et renforcer la résilience des cultures face aux stress abiotiques. D'un autre côté, dans le secteur de l'énergie, la méthanisation pour la production de biogaz gagne importance et la gestion de ses résidus (digestat et CO2 biogénique) est nécessaire. Cette thèse étudie la culture de microalgues dans le digestat liquide de méthanisation sous injection de CO2 pour la production de biomasse microalgale utilisée pour l'extraction de BVs et l'application aux graines.La culture de deux souches de microalgues (Tetradesmus obliquus et Chlorella vulgaris) a été optimisée dans un volume de culture de 200 mL en étudiant différentes concentrations du digestat liquide de méthanisation et de CO2. Les meilleures conditions de croissance étaient le digestat liquide de méthanisation dilué à 125 mg N-NH4+.L-1 sous l'injection continue de 1% v/v de CO2. Ces cultures ont été mises à l'échelle de photobioréacteurs de 6 L, atteignant une production de biomasse microalgale de 1.29 ± 0.06 g.L-1 pour T. obliquus et de 0.36 ± 0.02 g.L-1 pour C. vulgaris. Le potentiel de biorémediation a été évalué pour les deux souches, elles ont éliminé presque 100 % de N-NH4+, 50 % de DCO et 55 % de P-PO43. La biomasse produite a ensuite été caractérisée, révélant une teneur en protéines plus élevée lorsqu'elle a été cultivée dans le digestat liquide (46.21 ± 3.98% bDW (biomass dry weight) pour T. obliquus et 44.17±2.24 % bDW pour C. vulgaris) que dans le milieu synthétique (16.12 ± 1.50% bDW pour T. obliquus et 17.45 ± 1.26% bDW pour C. vulgaris).Dans la deuxième partie de l'étude, T. obliquus et Chloroidium sp. ont été cultivées dans des colonnes de 90 L en utilisant du digestat liquide de méthanisation dilué à 100 mg N-NH4+.L-1 et sous l'injection continue de 1% v/v de CO2. L'extraction des BVs de cette biomasse a été étudiée, différents traitements d'extraction verte ont été utilisés : (i) extractions enzymatiques - (alcalase, cellulase et viscozyme à 1% p/p) (ii) et extraction ultrasonique. L'effet d'un prétraitement mécanique (broyage de billes) a également été évaluée. L'impact de la distribution de taille des différentes molécules (principalement les protéines et les peptides) sur les tests de germination des graines a été évalué après la caractérisation complète des extraits. La technique d'extraction la plus efficace était l'alcalase à 50 °C, atteignant des rendements d'extraction de protéines de 47.78 ± 1.94% (équivalent à 16.0 ± 0.6% de bDW) pour Chloroidium sp. et de 16.24 ± 1.13% (équivalent à 8.1 ± 0.6% de bDW) pour T. obliquus pour des biomasses non prétraitées. Différents facteurs de dilution (FD) des extraits sélectionnés ont été testés sur des graines de moutarde et de blé afin d'évaluer leur potentiel sur la croissance des racines. Un effet dose a été observé, avec une augmentation de la croissance racinaire de 28 % pour la moutarde et de 29% pour le blé. Les extraits les plus performants ont été séparés en fractions de trois tailles (F1:>100 KDa; F2:3-100 KDa; F3:<3KDa). Les résultats expérimentaux ont montré que l'activité des biostimulants variait selon les différentes fractions de taille, la souche de microalgue et l'espèce végétale utilisée. Pour les extraits de T. obliquus sur la moutarde, ellet provenait de la fraction F2, tandis que pour les extraits de Chloroidium sp., une synergie entre les différentes molécules de tailles variées était nécessaire. Ces résultats ont été supportés par des analyses des arbres de régression conditionnelle. Les résultats obtenus dans cette thèse démontrent le potentiel des BVs à base de microalgues pour favoriser une agriculture durable grâce au traitement des graines.

Overpopulation and global change led to the need of increasing agricultural productivity in a sustainable way. Among the possible solutions to overcome this problematic, microalgae-plant biostimulants (PBs) have great potential to reduce the amount of synthetic fertilizers and make crops more resilient to abiotic stresses. On the other hand, currently, in the energy sector, anaerobic digestion (AD) for the production of biogas is gaining importance and the management of its residues (digestate and biogenic CO2) is needed in a near future. This thesis explores an alternative approach that simultaneously supports sustainable agricultural production and the treatment of liquid and gaseous outputs from AD. Specifically, it investigates the cultivation of microalgae in AD liquid digestate supplemented with CO₂, aiming to produce biomass for the extraction of PBs and their subsequent application to seeds.In the first part of the study, the culture of two microalgal strains (Tetradesmus obliquus and Chlorella vulgaris) was optimized in 200 mL culture-volume using AD liquid digestate and CO2 at different concentrations. The best growing conditions were 125 mg N-NH4+.L-1 in the AD liquid digestate under the continuous injection of 1% v/v CO2. These cultures were scaled up to 6 L photobioreactors, achieving microalgal biomasses production of 1.29 ± 0.06 g.L-1 for T. obliquus and 0.36 ± 0.02 g.L-1 for C. vulgaris. Bioremediation potential was assessed for the two microalgae, they eliminated almost the 100% of N-NH4+, 50 % of COD and 55% of P-PO43-. The characterisation of the produced biomass showed higher proteins content when cultured in AD liquid digestate (higher nitrogen content), of 46.21 ± 3.98% bDW (biomass dry weight) for T. obliquus and 44.17 ± 2.24% bDW for C. vulgaris, than in synthetic medium of 16.12 ± 1.50% bDW for T. obliquus and 17.45 ± 1.26% bDW for C. vulgaris.In the second part of the study, T. obliquus and Chloroidium sp. were cultivated in 90 L columns in a greenhouse using AD liquid digestate diluted to 100 mg N-NH4+.L-1 and under the continuous injection of 1% v/v of CO2. Two sustainable extraction approaches to obtain PBs were used: (i) enzymatic-assisted (alcalase, cellulase and viscozyme at 1% w/w) and (ii) ultrasounds-assisted extractions. The effect of a mechanical (bead-milling) pre-treatment was also evaluated. The impact of the size distribution of different molecules (principally proteins and peptides) on seed germination assays were evaluated after the complete characterization of the extracts. The enzymatic-assisted extraction with alcalase at 50 °C showed to be the most efficient approach with a proteins extraction yield of 47.78 ± 1.94% (equivalent to 16.0 ± 0.6% bDW) for Chloroidium sp., and of 16.24 ± 1.13% (equivalent to 8.1 ± 0.6% of the bDW) for T. obliquus for non-pre-treated biomasses. Different dilution factors (DFs) of the selected extracts were tested on mustard and wheat seeds to assess their potential in root growth. A dose effect was reported and a root increase of 28% and a 29% for mustard and wheat, respectively, was observed. The most performant extracts were separated in three sizes fractions (F1: >100 kDa; F2: 3-100 kDa; F3: < 3 kDa) and each of the fractions was tested on seeds. Experimental results indicated that PB activity varied among the different size-fractions, microalgal strain and plant species used. For T. obliquus extracts on mustard the PB potential was given by fraction F2, while for Chloroidium sp. extracts, a synergy between the different size molecules was needed to improve root growth of the two seed species. These results were further supported by a regression trees analysis. The results obtained in this thesis demonstrate the potential of microalgae-based plant biostimulants for promoting sustainable agriculture through seed treatment.