CM1 Bioressources Marines PDF

Summary

This presentation covers marine resources, highlighting the unique biological activities and ecological characteristics of marine organisms, especially algae. It discusses applications in various sectors like food, cosmetics, and medicine. The presentation also emphasizes the significant role of marine environments in biodiversity and global ecosystems.

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Master 1 Sciences et Technologie pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (STA2E) UE Chimie et Valorisation des Substances Lise Dupont Plan  Introduction  I. Les ressources des biomasses marines  II. Les molécules marines avec des activités biologiques particulières  III. Les m...

Master 1 Sciences et Technologie pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (STA2E) UE Chimie et Valorisation des Substances Lise Dupont Plan  Introduction  I. Les ressources des biomasses marines  II. Les molécules marines avec des activités biologiques particulières  III. Les molécules marines à caractéristiques écologiques uniques  Conclusion Quelques particularités du milieu marin  363 millions de km2 - 71 % de la surface de la terre  Profondeur moyenne : 3800 m  Les 3 dimensions de l’espace sont occupées  l’éclairement diminue rapidement en profondeur  rôle important sur la répartition des espèces La subdivision du milieu marin 7.6% 8.1% 82.2% 2.1% 2013 Précis d’Ecologie Dajoz, 2006, DUNOD 5 La biodiversité marine est mal connue  Plus faible diversité spécifique que le milieu terrestre  243 307 espèces (98 % vérifiées) Sur la planète terre : • Une faible Biomasse marine  « en termes de biomasse, les paysages marins sont dominés par les animaux, tandis que les végétaux dominent les paysages terrestres » Source : FRB, 2018 Seuls les vertébrés marins sont relativement bien répertoriés tandis que la connaissance des invertébrés reste parcellaire Grande richesse des micro-organismes qui renfermeraient des groupes nouveaux ou peu connus  Les microalgues : une part importante de la biomasse des espèces réalisant la photosynthèse (picoplancton) Diversité importante des embranchements  Plus grande diversité Phylétique que les organismes terrestres  Des embranchements uniquement marins Ex : Echinodermes, Cténophores, Sipunculiens, Brachiopodes  La vie est apparue dans le milieu marin - 4.5 Ga - 3.8 Ga Vie marine - 400 Ma Vie terrestre Les récifs coralliens  des écosystèmes parmi les plus riches en biodiversité  Un récif corallien est une structure naturelle construite dont les coraux sont essentiellement à l'origine. Fotolia coral reef 45 © franck steinberg  écosystèmes équivalents par leur biodiversité et leur complexité aux forêts tropicales  Abritent 25% des espèces marines et occupent 0.2% des eaux marines http://www.laplaneterevisitee.org Cnidocytes Zooplancton 10 à 20% des besoins énergétiques du polype. Un polype  Illustration d’un écosystème reposant sur une interaction étroite entre espèces Protection et aliments (CO2, éléments minéraux) → relation symbiotique Zooxanthelles Dinoflagellés Un polype O2, nourriture, favorise la sécrétion du squelette calcaire Une importante biodiversité reste encore à Chimiosynthèse découvrir . Sources hydrothermales Hydrogène sulfuré ©CSSF / ROPOS, Neptune Canada Chimiolithotrophes : bactéries Vestimentifères  de nouvelles espèces sont régulièrement découvertes dans les écosystèmes hydrothermaux Poissons A cette biodiversité est associée une chimiodiversité considérable L'océan et sa biodiversité fournissent à l’humanité de nombreux services vitaux • régulation du climat (absorption de 93 % de la chaleur maintenue dans l’atmosphère produite par les gaz à effet de serre), • stockage du CO², • production d'oxygène, • voies de transports et de communication, • espaces de loisirs et bien-être… • ressources alimentaires, pharmaceutiques, minérales et énergétiques, • bioressources utiles à la fabrication de médicaments, Bioressources  Ressources biologiques  ensemble des ressources génétiques, des organismes ou éléments de ceux-ci, des populations ou tout autre élément biotique des écosystèmes ayant une utilisation ou une valeur effective pour l'humanité. Convention sur la diversité biologique, 1992 Quelques exemples A. Ressources des biomasses végétales  Algues : êtres vivants capables de photosynthèse dont le cycle de vie se déroule généralement en milieu aquatique  Environ 10000 types d’algues marines dans le monde Les algues : un groupe polyphylétique  ne constituent pas un groupe évolutif unique, mais une série d'organismes pouvant appartenir à des groupes phylogénétiques très différents  Les algues rassemblent :  les procaryotes : " algues bleues " ou Cyanobactéries.  les eucaryotes, parmi lesquels : " Classification phylogénétique du vivant". Belin. 2001 - des groupes à espèces unicellulaires - des groupes à espèces unicellulaires ou pluricellulaires - des végétaux assez proches des plantes terrestres on distingue souvent les macroalgues et les microalgues A.1 Les Macroalgues Ulva lactuca Chondrus crispus Laminaria digitata Les algues vertes - Chlorophyta et Charophyta - Phylogénétiquement apparentées aux plantes terrestres - Relativement petites (< 30cm de longueur) Les algues rouges - Rhodophyta - Cousins éloignées des algues vertes (divergence il y a 1.2 Mrd d’années) - Relativement petites (< 40cm de longueur) Les algues brunes - Phéophycées - Histoire évolutive très différente : endosymbiose eucaryote unicellulaire et algue rouge unicellulaire - Peuvent atteindre de grandes tailles (60m) 19 Les forêts d’algues brunes marines (Kelp) • zone sous-marine densément peuplée des macroalgues brunes poussant dans des eaux de climats tempérés et arctiques • Systèmes écologiques parmi les plus productifs en biomasse de la planète • De nombreux services rendus, encore insuffisamment quantifiés  support d’autres algues rouges, brunes, vertes, d’invertébrés , de microorganismes  Écosystème très diversifié avec de nombreux habitats : zone de refuge, de reproduction, de nourriture  Influence les courants côtiers  Forte activité photosynthétique (fixation CO2, production d’O2) Culture et collecte de macroalgues et végétaux aquatiques Production aquacole mondiale d’algues et collecte (1950 -2019) Production des macroalgues et végétaux aquatiques Source Ifremer et FAO, 2012 (productions 2010). 99% en Asie du sud-est : Chine : 54% Indonésie : 27% FAO 2021 En France ? 90% de la production française  Bretagne 99% de collecte en milieu naturel Utilisations Usage alimentaire  75% de la production de macroalgue à l’échelle mondiale a une vocation alimentaire  En France, très peu de macroalgues alimentaires sont exploitées, 13 espèces autorisées 1.Ascophyllum nodosum 2.Chondrus crispus 3.Fucus vesiculosus et serratus 4.Gracilaria verrucosa 5.Himanthalia elongata 6.Lithothamne 7.Laminaria digitata 8.Saccharina latissima et japonica 9.Undaria pinnatifida 10.Palmaria palmata 11.Porphyra sp. 12.Ulva sp. 13.Enteromorpha sp. Les phycocolloïdes agars, carraghénanes et alginates • colloïde : matière sous forme de micro particules (2 à 200 nm) dispersées dans un liquide ou un gel. • Phycocolloïdes  colloïde issu des algues • hydrocolloïdes ces biopolymères sont http://www.refer.mg/cours/wcl/wbalg/pages/p6.htm solubles dans l’eau • polysaccharides de la phase matricielle de la paroi  40% des gélifiants et épaississants du marché (10% alginates, 18% carraghénanes, 12% agars) Les principaux monosaccharides constitutifs des polysaccharides de la paroi des végétaux oxydation 4C 1 agar, carraghénane alginate oxydation oxydation alginate 1C 4 Diane JOUANNEAU Les alginates Laminaria digitata  Extraits à partir d’algues brunes  Début de la production industrielle aux USA dans les années 1930  Un des biopolymères les plus polyvalent - Épaississants(contrôle de la viscosité) - Gélifiant - Stabilisant (notamment par rapport à la chaleur) - Réducteur de cristaux (produits surgelés) - Protecteur (films alimentaires) Les alginates : applications  Additifs alimentaire naturel, semi-naturel ou synthétique E 400 Acide alginique E 401 Alginate de sodium E 402 Alginate de potassium E 403 Alginate d'ammonium E 404 Alginate de calcium E 405 Alginate de propane-1,2-diol  Industrie agro-alimentaire Glaces, crèmes glacées, sorbets: - contrôle de la formation de cristaux (au moment de la congélation) - révélateur de goûts - texture fine, onctueuse et unie Nappage pâtissier Entremets et desserts: Perles d’alginates Stabilisateurs des émulsions de type huile-eau: assaisonnements et sauces Produits restructurés: à base de fruits, légumes, viandes et poisson divers: - clarification des huiles, du vin, du vinaigre, de la bière - lubrification des boyaux de charcuterie - enrobage du poisson congelé - stabilisation de produits liquides (jus de fruits, lait, …) Nourriture pour animaux (pour donner la forme des croquettes)  Autres applications industrielles Textile: alginates inertes par rapports aux colorants et aux fibres, utilisés pour l’impression (fixation des colorants et contrôle de leur migration) Papier: traitement de surface des papiers (coloration, glaçage, couchage des papiers de luxe) Traitements des eaux de surface: élimination des matières en suspension (coloration, turbidité) Autres: Enrobage des bâtons de soudure (protection du fil de métal contre l’oxydation); incorporation dans le latex, les peintures, les plâtres de moulure, les céramiques, les colles, les résines, les mines de crayon, certains produits horticoles, certaines bombes aérosols…  Cosmétique, pharmacie et médecine  Pharmacie/Cosmétique: masques (soins du visage), pâtes dentifrices, empreintes dentaires sirops, lotions, pommades (traitement brûlures et blessures), compresses, pansements,  Médecine: biomatériaux Les agars  Extrait à partir d’algues rouges  Applications : 90% en alimentaire Gélifiant E406 Produits laitiers : flans Pâtisseries : glaçages, nappages Confiserie : bonbons Produits à tartiner : substitution des pectines pour réduire le taux de sucre Produits carnés : substitution de la matière grasse  8% en biotechnologie : agar bactériologique, agarose  Le reste : pharmacie (excipients), agriculture (enrobage semences) Les carraghénanes  Extrait à partir d’algues rouges carraghénophytes  k-carraghénane gélifiant Lait chocolaté, Glaces et crèmes dessert, Conserve de viande, Nourriture pour animaux, Gels désodorisants d’atmosphère, Immobilisation d’enzymes, Cultures in vitro i-carraghénane gélifiant Desserts, Sauces, Glaces et crèmes glacées, Cosmétiques l-carraghénane épaississant Desserts, Sauces, Dentifrice, Cosmétique E407 A.2 Les Microalgues  algues microscopiques procaryotes (cyanobactéries) et eucaryotes.     Unicellulaires ou pluricellulaires simples. Taille microscopique (1-10µm) Un des premiers maillons de la chaîne alimentaire 200000 à 800000 espèces dont environ 35 000 décrites 50% de fixation du CO2 atmosphérique http://www.plancton-dumonde.org/module-formation/dino.html 3 grands types de métabolisme - un métabolisme autotrophe : nécessite lumière + carbone inorganique (CO2) - un métabolisme hétérotrophe : nécessite carbone organique (sucre) - un métabolisme mixotrophe: autotrophe et/ou hétérotrophe en fonction des conditions La culture des microalgues Croissance rapide par division cellulaire : plusieurs divisions par jour en conditions favorables  ressource renouvelable particulièrement intéressante pour une culture à l’échelle industrielle. Production possible sur des terres non arables, tout au long de l’année, pas besoin d’herbicides ni de pesticides Génération 1 : la culture autotrophe en bassins ouverts ou fermés Génération 2 : la culture autotrophe en photobioréacteurs Génération 3 : la culture hétérotrophe en fermenteurs Le potentiel des microalgues Microalgues alimentaires  Les microalgues présentent une richesse nutritionnelle unique, particulièrement en protéines, lipides, vitamines, minéraux et pigments divers https://nutrixeal-info.fr/index/microalgues/ http://www.consoglobe.com/spiruline-algue-100-bienfaits-3079-cg/2 La spiruline Arthrospira platensis Cyanobactérie Eaux saumâtres Nombreuses vertus supposées (défenses immunitaires, carence alimentaires, cholestérol…) Biocarburant de 3ème génération Les microalgues peuvent contenir jusqu’à 80% de lipides (en général entre 20 et 50%) Le défi biotechnologique majeur est de domestiquer les souches de microalgues pour accroître leur productivité tout en diminuant les coûts de production afin d’atteindre une rentabilité économique de production d’énergie (CEA, 2020) Nanotechnologies diatomées : algues unicellulaires possédant une enveloppe siliceuse (frustule) Autoassemblage tridimensionnel très complexe de composants microscopiques modèle pour la fabrication d’appareils miniatures (industrie des composants électroniques) La diatomée Thalassiosira pseudonana vue au microscope électronique. Credit : University of Washington Projet : influencer génétiquement la fixation du silicium afin de jouer sur les propriétés électroniques des frustules de diatomées (séquençage du génome de l’algue-modèle Thalassiosira pseudonana en 2004) ZhihaoBao et al. (2007) Nature, 446, pp. 172-175. doi:10.1038/nature05570

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