Isolation and identification of native microalgae for biodiesel production

La demande croissante en carburants, ainsi que les changements climatiques dus au réchauffement planétaire poussent le monde entier à chercher des sources d’énergie capables de produire des combustibles alternatifs aux combustibles fossiles. Durant les dernières années, plusieurs sources potentielles ont été identifiées, les premières à être considérées sont les plantes oléagineuses comme source de biocarburant, cependant l’utilisation de végétaux ou d’huiles végétales ayant un lien avec l’alimentation humaine peut engendrer une hausse des prix des denrées alimentaires, sans oublier les questions éthiques qui s’imposent. De plus, l'usage des huiles non comestibles comme sources de biocarburants, comme l’huile de jatropha, de graines de tabac ou de jojoba, révèle un problème de manque de terre arable ce qui oblige à réduire les terres cultivables de l'industrie agricole et alimentaire au profit des cultures non comestibles. Dans ce contexte, l'utilisation de microorganismes aquatiques, tels que les microalgues comme substrats pour la production de biocarburant semble être une meilleure solution. Les microalgues sont faciles à cultiver et peuvent croitre avec peu ou pas d'entretien. Elles peuvent ainsi se développer dans des eaux douces, saumâtres ou salées de même que dans les terres non cultivables. Le rendement en lipide peut être largement supérieur aux autres sources de biocarburant potentiel, sans oublier qu’elles ne sont pas comestibles et sans aucun impact sur l'industrie alimentaire. De plus, la culture intensive de microalgues pour la production de biodiesel pourrait également jouer un rôle important dans l'atténuation des émissions de CO2. Dans le cache de ce travail, nous avons isolé et identifié morphologiquement des espèces de microalgues natives du Québec, pour ensuite examiner et mesurer leur potentiel de production de lipides (biodiesel). L’échantillonnage fut réalisé dans trois régions différentes du Québec: la région de Montréal, la gaspésie et le nord du Québec, et dans des eaux douces, saumâtres ou salées. Cent souches ont été isolées à partir de la région de Montréal, caractérisées et sélectionnées selon la teneur en lipides et leur élimination des nutriments dans les eaux usées à des températures différentes (10 ± 2°C et 22 ± 2°C). Les espèces ayant une production potentiellement élevée en lipides ont été sélectionnées. L’utilisation des eaux usées, comme milieu de culture, diminue le coût de production du biocarburant et sert en même temps d'outil pour le traitement des eaux usées. Nous avons comparé la biomasse et le rendement en lipides des souches cultivées dans une eau usée par apport à ceux dans un milieu synthétique, pour finalement identifié un certain nombre d'isolats ayant montré une bonne croissance à 10°C, voir une teneur élevée en lipides (allant de 20% à 45% du poids sec) ou une grande capacité d'élimination de nutriment (>97% d'élimination). De plus, nous avons caractérisé l'une des souches intéressantes ayant montré une production en lipides et une biomasse élevée, soit la microalgue Chlorella sp. PCH90. Isolée au Québec, sa phylogénie moléculaire a été établie et les études sur la production de lipides en fonction de la concentration initiale de nitrate, phosphate et chlorure de sodium ont été réalisées en utilisant de la méthodologie des surfaces de réponse. Dans les conditions appropriées, cette microalgue pourrait produire jusqu'à 36% de lipides et croitre à la fois dans un milieu synthétique et un milieu issu d'un flux secondaire de traitement des eaux usées, et cela à 22°C ou 10°C. Ainsi, on peut conclure que cette souche est prometteuse pour poursuivre le développement en tant que productrice potentielle de biocarburants dans des conditions climatiques locales.

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.

Impact Assessment Of Biocides On Microalgae - A Study In Vitro

The present study was undertaken to make a detailed investigation for_ the assessment of specific impact of commonly used biocides at the lower trophic level of food chain i.e., microalgae by using batch culture techniques in the laboratory. Microalgal representatives from three habitats i.e., fresh water, estuarine and marine were investigated. The different biocides selected are of common use in the agricultural practices. Because of the importance of microalgae as live feed for larval and postlarval stages of different aquatic organisms, the fluctuations in algal populations as a result of biocide treatment will surely affect the food chain. These studies are also of significance in setting the criteria and standards for water quality management by suggesting threshold values of different biocides tested, beyond which they affect the ecosystem adversely. The thesis has been divided into six chapters

Effects of some parameters in upscale culture of Haematococcus pluvialis Flotow

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Microalgae production improvement for the ICCM´s Marine Fish Hatchery

Máster Oficial en Cultivos Marinos. VI Máster Internacional en Acuicultura. Trabajo presentado como requisito parcial para la obtención del Título de Máster Oficial en Cultivos Marinos, otorgado por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC), el Instituto Canario de Ciencias Marinas (ICCM), y el Centro Internacional de Altos Estudios Agronómicos Mediterráneos de Zaragoza (CIHEAM)

Thermogravimetry and Py–GC/MS techniques as fast qualitative methods for comparing the biochemical composition of Nannochloropsis oculata samples obtained under different culture conditions

Microalgae have many applications, such as biodiesel production or food supplement. Depending on the application, the optimization of certain fractions of the biochemical composition (proteins, carbohydrates and lipids) is required. Therefore, samples obtained in different culture conditions must be analyzed in order to compare the content of such fractions. Nevertheless, traditional methods necessitate lengthy analytical procedures with prolonged sample turn-around times. Results of the biochemical composition of Nannochloropsis oculata samples with different protein, carbohydrate and lipid contents obtained by conventional analytical methods have been compared to those obtained by thermogravimetry (TGA) and a Pyroprobe device connected to a gas chromatograph with mass spectrometer detector (Py–GC/MS), showing a clear correlation. These results suggest a potential applicability of these techniques as fast and easy methods to qualitatively compare the biochemical composition of microalgal samples.

Effect of diatom supplementation during the nursery rearing of Litopenaeus vannamei (Boone, 1931) in a heterotrophic culture system

Bio-floc shrimp culture systems have been investigated in an attempt to optimize water use and prevent the discharge of effluent into the environment. The importance of microalgae in maintaining water quality and nutrition of the shrimp is well known in conventional systems; however, its maintenance amid bio-flocs and its role in the shrimp performance in this system are still poorly understood. The aim of this study was to evaluate the contribution of diatoms in the performance of Litopenaeus vannamei reared during the nursery phase in intensive system with minimal water exchange. Shrimp (0.31 ± 0.10 g) were reared among diatoms, bio-flocs and the combination of the two forming the mixture medium. The survival of shrimp was high in all treatments (90–97%). However, the shrimp reared among diatoms showed higher weight gain (P\0.05) and feed conversion ratio significantly more efficient, reaching a value of 0.47. The results indicate the importance of diatoms in bio-floc culture systems and points out to future research in an attempt to maintain a constant presence of these microalgae in culture medium without requiring successive inoculations.

Antimicrobial Compounds from Eukaryotic Microalgae against Human Pathogens and Diseases in Aquaculture

The search for novel compounds of marine origin has increased in the last decades for their application in various areas such as pharmaceutical, human or animal nutrition, cosmetics or bioenergy. In this context of blue technology development, microalgae are of particular interest due to their immense biodiversity and their relatively simple growth needs. In this review, we discuss about the promising use of microalgae and microalgal compounds as sources of natural antibiotics against human pathogens but also about their potential to limit microbial infections in aquaculture. An alternative to conventional antibiotics is needed as the microbial resistance to these drugs is increasing in humans and animals. Furthermore, using natural antibiotics for livestock could meet the consumer demand to avoid chemicals in food, would support a sustainable aquaculture and present the advantage of being environmentally friendly. Using natural and renewable microalgal compounds is still in its early days, but considering the important research development and rapid improvement in culture, extraction and purification processes, the valorization of microalgae will surely extend in the future.

Immobilized Microalgae for Nutrient Recovery from Source Separated Urine

Shortages in supply of nutrients and freshwater for a growing human population are critical global issues. Traditional centralized sewage treatment can prevent eutrophication and provide sanitation, but is neither efficient nor sustainable in terms of water and resources. Source separation of household wastes, combined with decentralized resource recovery, presents a novel approach to solve these issues. Urine contains within 1 % of household waste water up to 80 % of the nitrogen (N) and 50 % of the phosphorus (P). Since microalgae are efficient at nutrient uptake, growing these organisms in urine might be a promising technology to concomitantly clean urine and produce valuable biomass containing the major plant nutrients. While state-of-the-art suspension systems for algal cultivation have mayor shortcomings in their application, immobilized cultivation on Porous Substrate Photobioreactors (PSBRs) might be a feasible alternative. The aim of this study was to develop a robust process for nutrient recovery from minimally diluted human urine using microalgae on PSBRs. The green alga Desmodesmus abundans strain CCAC 3496 was chosen for its good growth, after screening 96 algal strains derived from urine-specific isolations and culture collections. Treatment of urine, 1:1 diluted with tap water and without addition of nutrients, was performed at a light intensity of 600 μmol photons m-2 s-1 with 2.5 % CO2 and at pH 6.5. A growth rate of 7.2 g dry weight m-² day-1 and removal efficiencies for N and P of 13.1 % and 94.1 %, respectively, were determined. Pre-treatment of urine with activated carbon was found to eliminate possible detrimental effects of pharmaceuticals. These results provide a basis for further development of the technology at pilot-scale. If found to be safe in terms human and environmental health, the biomass produced from three persons could provide the P for annual production of 31 kg wheat grain and 16 kg soybean, covering the caloric demand in food for almost one month of the year for such a household. In combination with other technologies, PSBRs could thus be applied in a decentralized resource recovery system, contributing to locally close the link between sanitation and food production.