Characterisation and modelling of the culture of the microalga Chlamydomonas reinhardtii and implementation of a miniaturised photobioreactor for the quantitative study of the growth of photosynthetic micro-organisms

Abstract

Financés par deux projets de recherche distincts (AlgoH2 (ANR) et MELiSSA (ESA), ces travaux de thèse, réalisés au sein de l’axe GePEB, sont axés sur l’application de modèles de connaissance pour le fonctionnement de l’énergétique cellulaire sur des cultures de microorganismes photosynthétiques. La première étude a été réalisée sur la microalgue Chlamydomonas Reinhardtii, afin d’optimiser la production de dihydrogène. Le travail a été de « regrouper » l’ensemble des réactions métaboliques existantes dans la cellule afin de réaliser une étude stœchiométrique et thermocinétique du fonctionnement cellulaire en phase de croissance et de production d’hydrogène, l’objectif étant de pouvoir comprendre, contrôler et optimiser la production de dihydrogène en photobioréacteur. Une contribution de ce travail est également d’assembler une base de données cohérente réunissant les propriétés de formation de composés impliqués dans le fonctionnement cellulaire, ceci afin d’appliquer les règles de calculs d’équilibres thermochimiques aux composés du métabolisme cellulaire. Dans un second temps, un miniphotobioréacteur, développé au sein du laboratoire en 2003 a été optimisé et modernisé. Ce miniPBR permet de réaliser des analyses rapides sur le fonctionnement de la photosynthèse. Son dimensionnement en deux compartiments superposés et séparés par une membrane présente l’intérêt de pouvoir extrapoler le comportement de la cyanobactérie Arthrospira platensis en condition de microgravité spatiale. Un modèle de connaissance de la photosynthèse, regroupant les transferts radiatifs et la cinétique de croissance en présence de nitrates avait préalablement été développé, ce qui a permis de valider les tests préliminaires réalisés en fioles de Roux sur différentes sources nutritives azotées et ainsi de viser de nouvelles améliorations du miniPBR.Funded by two separate research projects (AlgoH2 (ANR) and MELiSSA (ESA)), this work, conducted within the GePEB axis, is focused on the application of knowledge models of energetics of living cells for cultures of photosynthetic microorganisms. The first study was conducted on the microalga Chlamydomonas reinhardtii, in order to optimize the bio- production of dihydrogen. The work has been to gather the whole metabolic reactions existing in the cell in order to carry out a stoichiometric and thermokinetic study of the cellular functioning of growth and hydrogen production phases, the objective being to understand, control and optimize the production of hydrogen in photobioreactor. A contribution of this work is also to assemble a consistent database, bringing together the properties of formation of compounds involved in the cellular functioning, in order to apply the rules of calculations of thermochemical equilibria to compounds of cellular metabolism. As a second part of the study, a mini-photobioreactor developed in the lab in 2003 has been optimized and modernized. This mini-PBR allows realizing fast analyzes on the functioning of the photosynthesis. The design in two compartments separated by a membrane presents the interest extrapolating the behavior of the cyanobacterium Arthrospira platensis in conditions of microgravity. A model of knowledge of the photosynthesis, grouping the radiative transfer and the kinetics of growth on nitrate source had previously been developed. Comparing the preliminary tests carried out in Roux flasks on different nutrient nitrogen sources with model allowed better understanding of the cellular metabolism and further improvements of the mini-PBR