Algal Biofuels: Challenges and Opportunities

Biodiesel production using microalgae is attractive in a number of respects. Here a number of pros and cons to using microalgae for biofuels production are reviewed. Algal cultivation can be carried out using non-arable land and non-potable water with simple nutrient supply. In addition, algal biomass productivities are much higher than those of vascular plants and the extractable content of lipids that can be usefully converted to biodiesel, triacylglycerols (TAGs) can be much higher than that of the oil seeds now used for first generation biodiesel. On the other hand, practical, cost-effective production of biofuels from microalgae requires that a number of obstacles be overcome. These include the development of low-cost, effective growth systems, efficient and energy saving harvesting techniques, and methods for oil extraction and conversion that are environmentally benign and cost-effective. Promising recent advances in these areas are highlighted.

Characterization of microalgae native to Quebec for biofuel production.

La production de biodiésel par des microalgues est intéressante à plusieurs niveaux. Dans le premier chapitre, un éventail de pour et contres concernant l’utilisation de microalgues pour la production de biocarburant sont ici révisés. La culture d’algues peut s'effectuer en utilisant des terres non-arables, de l’eau non-potable et des nutriments de base. De plus, la biomasse produite par les algues est considérablement plus importante que celle de plantes vasculaires. Plusieurs espèces on le contenu lipidique en forme de triacylglycérols (TAGs), qui peut correspondre jusqu'à 30% - 40% du poids sec de la biomasse. Ces proportions sont considérablement plus élevées que celui des huiles contenues dans les graines actuellement utilisées pour le biodiésel de première génération. Par contre, une production pratique et peu couteuse de biocarburant par des microalgues requiert de surpasser plusieurs obstacles. Ceci inclut le développement de systèmes de culture efficace à faible coût, de techniques de récupération requérant peu d’énergie, et de méthodes d’extraction et de conversion de l’huile non-dommageables pour l’environnement et peu couteuses. Le deuxième chapitre explore l'une des questions importantes soulevées dans le premier chapitre: la sélection d'une souche pour la culture. Une collection de souches de microalgues d'eau douce indigène au Québec a été établi et examiné au niveau de la diversité physiologique. Cette collection est composée de cent souches, que apparaissaient très hétérogènes en terme de croissance lorsque mises en culture à 10±2 °C ou 22±2 °C sur un effluent secondaire d’une usine municipale de traitement des eaux usées (EU), défini comme milieu Bold's Basal Medium (BBM). Des diagrammes de dispersion ont été utilisés pour étudier la diversité physiologique au sein de la collection, montrant plusieurs résultats intéressants. Il y avait une dispersion appréciable dans les taux de croissance selon les différents types de milieux et indépendamment de la température. De manière intéressante, en considérant que tous les isolats avaient initialement été enrichis sur milieu BBM, la distribution était plutôt symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, suggérant que l’enrichissement sur BBM n’a pas semblé biaiser la croissance des souches sur ce milieu par rapport aux EU. Également, considérant que les isolats avaient d’abord été enrichis à 22°C, il est assez surprenant que la distribution de taux de croissance spécifiques soit aussi symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, avec grossièrement des nombres égaux d’isolats de part et d’autre. Ainsi, l’enrichissement à 22°C ne semble pas biaiser les cellules vers une croissance à cette température plutôt que vers 10°C. Les diagrammes de dispersion obtenus lorsque le pourcentage en lipides de cultures sur BBM ont été comparées à des cultures ayant poussé sur EU soit à 10°C ou 22°C rendent évident que la production de lipides est favorisée par la culture sur EU aux deux températures, et que la production lipidique ne semble pas particulièrement plus favorisée par l’une ou l’autre de ces températures. Lorsque la collection a été examinée pour y déceler des différences avec le site d’échantillonnage, une analyse statistique a montré grossièrement que le même degré de diversité physiologique était retrouvé dans les échantillons des deux différents sites. Le troisième chapitre a poursuivi l'évaluation de la culture d'algues au Québec. L’utilisation de déchets industriels riches en nutriments minéraux et en sources de carbone pour augmenter la biomasse finale en microalgues et le produit lipidique à faible coût est une stratégie importante pour rendre viable la technologie des biocarburants par les algues. Par l’utilisation de souches de la collection de microalgues de l’Université de Montréal, ce rapport montre pour la première fois que des souches de microalgues peuvent pousser en présence de xylose, la source de carbone majoritairement retrouvée dans les eaux usées provenant des usines de pâte et papier, avec une hausse du taux de croissance de 2,8 fois par rapport à la croissance photoautotrophe, atteignant jusqu’à µ=1,1/jour. En présence de glycérol, les taux de croissance atteignaient des valeurs aussi élevées que µ=1,52/jour. La production lipidique augmentait jusqu’à 370% en présence de glycérol et 180% avec le xylose pour la souche LB1H10, démontrant que cette souche est appropriée pour le développement ultérieur de biocarburants en culture mixotrophe. L'ajout de xylose en cultures d'algues a montré certains effets inattendus. Le quatrième chapitre de ce travail a porté à comprendre ces effets sur la croissance des microalgues et la production de lipides. Quatre souches sauvages indigènes ont été obersvées quotidiennement, avant et après l’ajout de xylose, par cytométrie en flux. Avec quelques souches de Chlorella, l’ajout de xylose induisait une hausse rapide de l’accumulation de lipide (jusqu’à 3,3 fois) pendant les premières six à douze heures. Aux temps subséquents, les cellules montraient une diminution du contenu en chlorophylle, de leur taille et de leur nombre. Par contre, l’unique membre de la famille des Scenedesmaceae avait la capacité de profiter de la présence de cette source de carbone sous culture mixotrophe ou hétérotrophe sans effet négatif apparent. Ces résultats suggèrent que le xylose puisse être utilisé avant la récolte afin de stimuler l’augmentation du contenu lipidique de la culture d’algues, soit en système de culture continu ou à deux étapes, permettant la biorestauration des eaux usées provenant de l’industrie des pâtes et papiers. Le cinquième chapitre aborde une autre déché industriel important: le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. Plus de la moitié du dioxyde de carbone qui est émis dans l'atmosphère chaque jour est dégagé par un processus stationnaire, soit pour la production d’électricité ou pour la fabrication industrielle. La libération de CO2 par ces sources pourrait être atténuée grâce à la biorestauration avec microalgues, une matière première putative pour les biocarburants. Néanmoins, toutes les cheminées dégagent un gaz différent, et la sélection des souches d'algues est vitale. Ainsi, ce travail propose l'utilisation d’un état de site particulier pour la bioprospection de souches d'algues pour être utilisé dans le processus de biorestauration. Les résultats montrent que l'utilisation d'un processus d'enrichissement simple lors de l'étape d'isolement peut sélectionner des souches qui étaient en moyenne 43,2% mieux performantes dans la production de biomasse que les souches isolées par des méthodes traditionnelles. Les souches isolées dans ce travail étaient capables d'assimiler le dioxyde de carbone à un taux supérieur à la moyenne, comparées à des résultats récents de la littérature.

Évaluation du risque cancérigène associé à la contamination de l’eau potable de puits municipaux par les nitrates/nitrites dans certaines régions rurales du Québec

La spécialisation des techniques agricoles que nous connaissons ces dernières décennies, particulièrement dans les régions rurales, est à l’origine de l’abus de fertilisants. Ces derniers sont actuellement reconnus comme étant les causes principales de la contamination de l’eau souterraine par les nitrates. Suite à leur ingestion via l’eau potable, les nitrates sont transformés en nitrites par la flore buccale. Une fois dans l’estomac les nitrites réagissent avec certaines amines provenant de l’alimentation pour générer des nitrosamines cancérogènes. L’objectif de notre étude était d’estimer quantitativement l’excès de risque de cancer (ER) pour les populations de sept régions rurales du Québec qui consomme l’eau potable provenant de réseaux municipaux alimentés en eau souterraine. Le territoire à l’étude était caractérisé par une agriculture intensive d’élevage. Les médianes (et 95e centiles) régionales des concentrations de nitrates mesurées dans les réseaux de ces régions étaient de : 0,18 (2,74); 0,48 (10,35); 0,15 (1,28); 0,32 (11); 0,05 (0,76); 0,10 (4,69); 0,09 (2,13) mg N-NO3-/l. Nous avons envisagé un scénario de transformation complète des nitrites et de certaines amines (diméthylamine, diéthylamine, n-butylamine, méthyléthylamine) en nitrosamines spécifiques : N-diméthylnitrosamine (NDMA), N-diéthylnitrosamine (NDEA), N-n-dibutylnitrosamine (NDBA) et N-méthyléthylnitrosamine (NMEA). Pour estimer la concentration de nitrites formés dans l’estomac, nous avons considéré une consommation définie d’eau potable, le volume de l’estomac et un taux de transformation des nitrates en nitrites. Supposant les quantités de nitrites et de chaque amine constantes pendant 1h, nous avons considéré la constante de nitrosation spécifique à chaque amine pour évaluer la dose d’exposition journalière à chaque nitrosamine équivalente formée. Par la suite, la combinaison de cette dose à un estimateur de potentiel cancérogène qhumain spécifique à chaque nitrosamine, nous a permis d’évaluer l’ER associé à chacune d’elles. Globalement l’analyse a démontré que les ER les plus élevés, estimés pour le NDBA, étaient de l’ordre de 10-6, ne contribuant pas de façon significative à une augmentation du risque de cancer pour ces populations.

L’accès gratuit à l’eau potable bénéficie-t-il nécessairement au plus défavorisé ? Une discussion critique à l’aune du cas de la Flandre

This article discusses the 1997 Flemish reform in the domestic water sector (Belgium). It abolished a previously existing social correction of the wastewater charge. Instead, a tax exemption for some disadvantaged categories was introduced. Moreover, water consumers receive 15 m3 of drinking-water per person per year for free. This policy change was assumed to contribute better to social equity. However, the reform led to changes in the drinking water tariffs by the water companies. Furthermore, a study conducted by Van Humbeeck (1998) shows that the distributive impact of the new water regulation is negative. As a matter of fact, the water reform increased the regressivity of the total wastewater and drinking water expenses. The Flemish example shows that ex ante evaluation of any reform of public services is a prerequisite for more social justice in the provision of basic goods to underprivileged citizens.

Alternatives de partenariats pour la gestion de l’eau potable dans les quartiers pauvres des zones urbaines : cas de Kinshasa

Face à l’incapacité de l’État à offrir des services de base aux ménages pauvres des zones urbaines périphériques et marginales, ce sont les opérateurs informels (individuels et collectifs) qui s’activent à répondre aujourd’hui aux besoins croissants des ménages. Mais leurs actions sont ponctuelles, éparpillées sur le territoire, non intégrées dans un plan de développement local, et beaucoup de ménages n’ont toujours pas accès à l’eau potable. Cette recherche, de type exploratoire, porte donc sur l’examen d’un type de partenariat entre les acteurs publics et les opérateurs informels collectifs, susceptible de créer la synergie entre les partenaires locaux et de pérenniser la fourniture de l’eau potable. Elle vise à analyser et à comprendre les mécanismes de collaboration entre l’État et les opérateurs informels collectifs en vue d’améliorer la qualité de la vie dans les quartiers urbains pauvres grâce à la résolution des problèmes d’accès à l’eau potable. À partir de l’étude de cas d’une zone pauvre de la ville de Kinshasa (République Démocratique du Congo), nous avons donc cherché à dégager ce qui peut éclairer le fonctionnement du partenariat État-opérateurs informels collectifs. Comme cadre d’analyse, nous avons recouru à l’analyse stratégique et, pour l’examen des expériences de partenariat, nous avons utilisé le modèle de Coston (1998) et recouru aux approches de régulation État-tiers secteur (approche socio-étatique et approche socio-communautaire). La méthode qualitative a été privilégiée. Les données analysées proviennent d’entrevues semi-dirigées, de la recherche documentaire et de l’observation. À partir du modèle de Coston (1998), les résultats obtenus montrent que les relations qui correspondent le mieux au partenariat entre les acteurs publics et les opérateurs informels collectifs sont de type « contractuel » et correspondent à l’orientation socio-étatique. Mais le système formel actuel de gestion de l’eau potable et les relations de pouvoir sont plus proches du type « rivalité ». Notre étude montre également que les partenariats, entre les acteurs publics et les opérateurs informels collectifs, sont très difficiles à instituer, car il n’existe pas encore d’environnement socio-politique solidaire. Le contexte institutionnel n’est pas propice à l’émergence d’un partenariat dynamique. Les déficiences structurelles, humaines et institutionnelles constatées sont la résultante directe de la pauvreté dont sont victimes les individus et les institutions. Les réseaux sociaux (à base de parenté, ethnique ou religieux) affectent les relations entre les individus, membres d’une association locale et les représentants des institutions locales ou nationales. Une complémentarité, négociée entre l’État et les opérateurs informels collectifs, ne pourra se réaliser que par la mise en place de nouvelles politiques favorisant la démocratie, la décentralisation et la promotion du mouvement associatif avec une société civile forte, dynamique, soucieuse du bien commun, privilégiant les qualités managériales plutôt que l’assistance perpétuelle.

The human right to water - normative foundations and ethical implications

La présente contribution examine les fondements normatifs ainsi que les implications éthiques du droit à l’eau, tel qu’il fut reconnu en 2002 par le comité onusien des droits économiques, sociaux et culturels. Il sera défendu que le droit à l’eau potable peut être justifié en tant que droit moral fondamental, de par son caractère indispensable en vue de la garantie des conditions basiques de survie. Cet état de fait, cependant, s’avère moins évident au vue d’un droit à l’eau d’usage non-domestique. Ici, la discussion se rapproche des débats accompagnant le concept beaucoup plus complexe des droits sociaux et économiques. Par rapport à ce groupe de droits, la question de l’allocation est des plus controversées: à qui incombe-t-il de garantir leur respect? Dans le but d’éviter cette problématique d’allocation, le présent essai soulèvera la question de savoir, si la limitation de l’accès à l’eau peut être conçue comme une violation d’autres droits moraux: bien qu’il y ait des cas où des entreprises transnationales déploient des activités nuisibles à l’égard des populations pauvres en polluant sciemment leurs ressources en eau ou en initiant et en exécutant des stratégies de privatisation les privant de leurs droits, la crise globale de l’eau ne saura être rattachée uniquement aux effets de la mondialisation. Plutôt, l’on reconnaîtra la nécessité d’efforts positifs et soutenus de la part des pays développés en vue de la réalisation d’un approvisionnement suffisant en eau pour tous.

Modélisation toxicocinétique d’un mélange de composés organiques volatils dans l’eau potable

L'évaluation des risques de l'exposition aux mélanges de produits chimiques par voies multiples peut être améliorée par une compréhension de la variation de la dose interne due à l’interaction entre les produits. Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) sont des outils éprouvés pour prédire l'ampleur de ces variations dans différents scénarios. Dans cette étude, quatre composés organiques volatils (COV) (toluène, nhexane, cyclohexane et isooctane) ont été choisis pour représenter des produits pétroliers (essence) pouvant contaminer l'eau potable. Premièrement, les modèles PBPK ont simulé l'exposition à un seul COV par une voie (inhalation ou gavage). Ensuite, ces modèles ont été interconnectés pour simuler l'exposition à un mélange par voies multiples. Les modèles ont été validés avec des données in vivo chez des rats Sprague-Dawley (n=5) exposés par inhalation (50 ppm ; toluène, hexane, et 300 ppm ; cyclohexane, isooctane; 2-h) ou par gavage (8,3; 5,5; 27,9 et 41,27 mg/kg pour le toluène, l’hexane, le cyclohexane et l’isooctane, respectivement). Des doses similaires ont été utilisées pour l'exposition au mélange par voies multiples. Les AUC (mg/L x min) pour le toluène, l'hexane, le cyclohexane et l'isooctane étaient respectivement de 157,25; 18,77; 159,58 et 176,54 pour les données expérimentales, et 121,73; 21,91; 19,55 et 170,54 pour les modèles PBPK. Les résultats des modèles PBPK et les données in vivo (simple COV par voies multiples vs. mélange par voies multiples) ont montré des interactions entre les COVs dans le cas de l'exposition au mélange par voies multiples. Cette étude démontre l'efficacité des modèles PBPK pour simuler l'exposition aux mélanges de COV par voies multiples.