A quoi peuvent servir les microalgues et les macroalgues marines ?

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• A quoi peuvent servir les microalgues et les
  macroalgues marines ?

Thierry Tonon Station Biologique de Roscoff UMR
7139 CNRS-UPMC, Végétaux Marins et
Biomolécules Equipe de Génomique
Fonctionnelle tonon_at_sb-roscoff.fr
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Plan du cours à revoir à la fin

• Une algue cest quoi?
• Apparition des algues
• Organisation cellulaire
• Microalgues et production de substances
  naturelles
• -Différents types de microalgues
• -Substances naturelles pigments,
  phycobiliprotéines, acides gras (TD)
• -Méthodes de culture
• Macroalgues et production de substances
  naturelles
• -Différents types de macroalgues (rouges,
  vertes, brunes)
• -Aquaculture
• -Alimentation humaine
• -Applications industrielles
  (agro-alimentaire, cosmétologie)
• -Débouché(s) agricole(s) la laminarine
  (TD)

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Step 1 Primary Endosymbiosis ( 1 billion yrs
ago)
Plastid
N1
N1
Cyanobacterium
Heterotroph
Chlorophytes, Land Plants, Red Algae, Glaucophytes
Step 2 Secondary Endosymbiosis (800 million yrs
ago)
Plastid
Plastid
I
II
Nm
N2
N2
N2
N1
Photosynthetic Eukaryote Primitive red or green
algae
Heterokonts Haptophytes Euglenoids Dinoflagellates
Cryptophytes Chlorarachniophytes (Nm
nucléomorphe)
Heterotroph
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Unicellularité et multicellularité
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Organisation cellulaire - cellule type plante
Mitochondrie
Chloroplaste
Cytoplasme
Membrane
REG
Péroxysome
Noyau
Vacuole
Golgi
Paroi
Ribosomes
plasmodesme
6
Les principales caractéristiques biochimiques des
cinq classes dorganismes photosynthétiques
(paroi)
Paroi -phase squelettique (cellulose
polymère de glucose) -phase
matricielle ou matrice extra-cellulaire (pectine,
agar, carraghénanes, alginates)
7
(No Transcript)
8
 Les microalgues 

• Groupe artificiel
• Dinoflagellés, diatomées, chrysophytées, algues
  vertes etc.
• Microscopiques
• Eucaryotes
• Unicellulaires, filamenteuses
• Marine, eau douce, terre etc.

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 1. Les microalgues Dinoflagellées
130 genres 2,000 espèces10 eau douce, 90
marinezooxanthellae dans les coraux
(symbiose) Pigments Chlorophylle a, c
péridinine Stockage amidon, huiles
      
      
 2. Les microalgues Diatomées
265 genres100,000 - 10 millions despèces 50
eau douce, 50 marine Pigments Chlorophylle
a, c fucoxanthine Stockage amidon, huiles,
graisses, chrysolaminarine
   
 3. Les microalgues vertes (chlorophytes)
      

• Eau douce, marine et eau hyper-saline
• 17 000 espèces
• Chlorophylle a, b beta-carotène
• Stockage amidon

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 1. Les microalgues Dinoflagellées
-Elles peuvent provoquer des blooms, entraînant
lapparition de marées rouges on a alors des
millions de cellules par ml - Elles peuvent
rendre les mollusques (moules, huîtres, praires,
coques, palourdes...) toxiques pour l'homme et
les rendre impropres à la consommation car elles
produisent des neurotoxines - Troubles
gastro-entériques graves ou, plus rarement,
atteintes neuro-musculaires  - Phénomène assez
récurrent dans la mytiliculture du bassin de Thau
en Languedoc et sur les côtes de l'Atlantique,
notamment en Bretagne et en Vendée.
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 2. Les microalgues Diatomées

• - Particulièrement importantes dans les océans
  car on estime quelles contribuent à 45 de la
  production primaire océanique totale
• - 2 génome récemment séquencés
• -Génome publié pour Thalassiosira pseudonana
  (2004)
• -En cours de publication pour Phaeodactylum
  tricornutum
• Contiennent de la silice dans leur paroi
  (frustule)
• Silice importance industrielle reconnue
  (dentifrice, abrasifs, pneus, peintures, )
• Nécessite de haute température et de hautes
  pressions pour sa production
• ? Diatomées source de silice naturelle ?
  Nanothechnologies ?

A centric diatom showing radial symmetry
A pennate diatom showing bilateral symmetry
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Applications des microalgues
1. Aquaculture (voir article de Apt et Behrens
1998) 2. Substances présentant des propriétés
antioxydantes 3. Pigments fluorescents 4.
Acides gras polyinsaturés (oméga 3) cours et
TD 5. Biocarburants 6. Techniques de
production système phototrophique, sytème
hétérotrophique, milking 7. Intérêt des
microalgues marines transgéniques/concept de
green cell factory ?
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Substances extraites des microalgues marines et
leurs utilisations industrielles

• Les microalgues
• -Plantes microscopiques, à croissance rapide
  (biomasse doublée en un jour pour certaines)
• -Eléments nécessaires à la croissance lumière,
  eau, CO2 et nutriments
• -De nombreuses propriétés physiologiques et
  biochimiques
• Production de nombreuses substances naturelles
  pigments, protéines, enzymes, polysaccharides,
  acides gras, acides aminés, vitamines, et
  certains composés bioactifs peu courants
• Composés/substances dintérêt
• Extraits à partir le lorganisme ou lorganisme
  lui-même
• Si cest un composé particulier qui est
  recherché, celui-ci doit être identifié, puis
  séparé/extrait de la biomasse cellulaire, de la
  façon la plus rentable possible

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Substances extraites des microalgues marines et
leurs utilisations industrielles
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1. Aquaculture

• - Secteur dactivité croissant ? nécessité
  détablir et de maintenir la chaîne alimentaire
  pour nourrir les animaux jusquà ce quil soit
  commercialisables
• - Algues à la base de la chaîne alimentaire ?
  zooplancton (rotifères, Artemia) ? larve de
  poisson, coquillages
• - Espèces dalgues cultivées couramment pour
  laquaculture Chlorella, Tetraselmis,
  Isochrysis, Pavlova, Phaeodactylum, Navicula,
  Dunaliella, Amphora, Nitzschia, Cyclotella,
  Chaetoceros, Nannochloropsis, Skeletonema.
• Limportance des microalgues dans la chaîne
  alimentaire impose davoir des méthodes de
  culture fiables pour produire ces organismes
  (culture phototrophe et hétérotrophe)
• Tendance à utiliser des microalgues riches en
  éléments nutritionnels tels que les acides gras
  oméga 3, afin daméliorer les propriétés
  nutritionnelles des rotifères et dArtemia.

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2.1 Les caroténoïdes
Pigments Composés chimiques qui absorbent et
émettent de la lumière à certaines longueurs
donde (dans le visible) Les caroténoïdes une
des catégories de pigments Colorants généralement
insolubles dans leau 700 pigments naturels
produits naturellement par le phytoplancton
(bactéries), les algues, les plantes et quelques
champignons Responsables dune large variété de
couleur, parmi lesquelles la couleur des fruits
(rouge, orange), des feuilles, Pas de
synthèse de novo chez les animaux ? absorbés au
cours de lalimentation
17
Dunaliella salina Production de ß-carotène
(provitamine A)
Beta-carotène molécule qui donne la couleur
orange aux carottes Le carotène est un
important pigment de photosynthèse végétal est un
tétraterpène, de formule C40H64 Les globules de
beta-carotène sont stockées dans les
chloroplastes Dunalellia est capable de
supporter des conditions de culture extrêmes
(milieu hypersalin, température élevée, pH élevé)
? peu de contamination
The large open ponds used for the culture of
Dunaliella salina at Hutt Lagoon, Western
Australia, by Congnis Nutrition and Health. The
largest ponds are about 250 ha in area.
Plusieurs hectares, mais faible profondeur
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ß-carotène (pro-vitamine A) Applications
Colorants artificiels Les caroténoïdes extraits
de plantes sont utilisés comme colorants depuis
plusieurs siècles   Il existe aussi des carotènes
synthétiques, utilisés pour colorer la margarine,
le beurre Autres applications glaces, jus de
fruit, enrobage de tablettes  Le beta-carotène a
un avantage sur les colorants artificiels car il
est dorigine naturelle et na pas deffets
secondaires
Propriétés anti-oxydantes -Réduit les risques de
cancer de la prostate, des poumons, de la gorge,
du larynx, des seins, de la vessie, de
l'œsophage, et de l'estomac -Effets bénéfiques
sur la vision (vitamine A rétinol, pigment de
loeil) -Effets bénéfiques sur le système
immunitaire, réduit les risques d'infections
-Cicatrisations des plaies -Protection de la
peau contre des agressions extérieures (soleil)
-Protège les cellules cérébrales contre les
dommages liés à l'age -Diminue les risques
d'infarctus et d'accidents vasculaires cérébraux
-Favorise la croissance harmonieuse des tissus
épithéliaux
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2.2 Astaxanthine extraite de la microalgue
Haematococcus pluvialis
3,3-dihydroxy-ßß-carotène-4,4-dione Accumulati
on 1 à 8 du poids sec Valeur marchande 2500
euros/kg (carotène 750 euros /kg) Production
variable selon les conditions du milieu de
culture
Conditions de stress lumière élevée, carence en
nutriments
Haematococcus pluvialis ponds
20
http//www.cyanotech.com/
Astaxanthine Applications
-Composé anti-inflammatoire arthrite,
rhumatismes douleurs articulaires et
musculaires après lexercice -Propriétés
anti-oxydantes (supérieures à la plupart des
autres caroténo?des) démontrées sur lhomme et
lanimal protection de la peau contre les
effets des rayons ultraviolets stimulation du
système immunitaire stimulation du métabolisme
énergétique
- En élevage Amélioration de létat de santé
général des animaux Supplément vitaminique pour
la volaille - Aquaculture Elevage (et
coloration) de saumons Pour favoriser la
qualité et la survie des larves de crevettes
21
3. Pigments fluorescents (phycobiliprotéines)

• Phycobilisomes
• Larges complexes résultant de lassemblage des
  phycobiliprotéines, servant à collecter la
  lumière et transférer lénergie aux centres de
  réaction de la photosynthèse
• Localisés à la surface des thylako?des des
  cyanobactéries et des algues rouges
• Phycobiliprotéines
• Partie protéique chromophore tétrapyrrolique
  linéaire
• Protéines fluorescentes isolées du phycobilisome
  des cyanobactéries et des algues rouges

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4. Les acides gras les oméga 3
www.oenobiol.com
- Les acides gras oméga 3 et oméga 6 sont des
lipides indispensables qui sintègrent aux
membranes cellulaires -Lalimentation doit les
apporter car notre corps ne peut pas les
synthétiser -Un rapport oméga 3 / oméga 6
adéquat est essentiel à notre bon état de santé
-Aujourdhui, rapport déséquilibré nous
consommons 1 oméga 3 pour plus de 13 oméga 6,
alors que les recommandations sont de 1 oméga 3
pour 4 oméga 6 -Les principaux oméga 3 sont
lALA (acide linolénique), lEPA (acide
eicosapentaéno?que), et le DHA (acide
docosahexaéno?que)
23
Synthèse des acides gras polydésaturés chez les
mammifères
?7des
à partir de lalimentation Essential Fatty Acids
(EFA)
elo
elo
Oméga 6
Oméga 3
(182n-6 et 183n-3 produits par les plantes)
?12des
?15des
?9des
?6des
?6des
184n-3
stearidonic
?6elo
?6elo
?5des
?5des

Sprecher pathway
?5elo
eloelongase desdesaturase
?7elo
245n-3
?6des
Peroxisomal ß-oxidation
226n-3
225n-6
docosahexaenoic, DHA
24
4. Les acides gras les oméga 3
www.oenobiol.com

• Le DHA
• -Représente 95 des acides gras oméga 3 du
  cerveau
• -Indispensable dès la naissance pour un
  développement optimal du cerveau
• -Diminue les troubles de lhumeur et le stress
• Une alimentation riche en produits marins ou une
  supplémentation en huile de poisson permet
  d'obtenir un taux adéquat de DHA
• L'alternative depuis juin 2003 une nouvelle
  source de DHA est disponible en Europe le DHA
  algal extrait de la micro algue Schizochytrium sp.

25
4. Les acides gras les oméga 3
www.oenobiol.com
Les avantages par rapport aux huiles de poissons
(contenues dans la majorité des compléments
nutritionnels riches en Oméga 3) sont nombreux
- Goût plus agréable - Meilleure
digestibilité - Moins dodeur - Meilleure
stabilité des Oméga 3 - Pas de risque de
contamination par les polluants car lalgue
schizochytrium est produite par fermentation
industrielle.
Mélange dALA dorigine végétale, dEPA et de DHA
dorigine algale
26
4. Les acides gras les oméga 3
A voir en TD !
27
Le biodiesel, biogazole ou B100 (B20, B5, B2,
etc) est un carburant obtenu à partir d'huile
végétale ou animale transformée par un procédé
chimique appelé transestérification. Le biodiesel
peut être utilisé seul dans les moteurs ou
mélangé avec du pétrodiesel.
Alcool (méthanol) lipides (TAG) ? biodiesel
glycérine (glycérol)
Pour que la réaction se déroule le plus
rapidement possible, il faut chauffer le liquide
vers 50 C et ajouter une base comme catalyseur.
La base peut être, par exemple, de l'hydroxyde de
sodium ( soude caustique, NaOH). Pour un meilleur
rendement énergétique global on peut aussi
choisir de laisser simplement réagir sans
chauffer, la réaction prenant alors quelques
heures.
28

• 5. Biocarburants
• -Les algues unicellulaires constituent une source
  potentielle de biocarburants très intéressante
• -Biodiesel ?
• -Utilisation de microalgues forte teneur en
  lipides (50 à 80 en masse) et à temps de
  doublement rapide (de l'ordre de 24h).
• ? Nécessité de sélectionner des souches
  présentant ces caractéristiques
• Nombreux programmes de recherche par des
  instituts publics et des entreprises privées

Caractéristiques de croissance
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• 5. Biocarburants
• -Les algues unicellulaires constituent une source
  potentielle de biocarburants très intéressante
• -Biodiesel ?
• -Utilisation de microalgues forte teneur en
  lipides (50 à 80 en masse) et à temps de
  doublement rapide (de l'ordre de 24h).
• ? Nécessité de sélectionner des souches
  présentant ces caractéristiques
• Nombreux programmes de recherche par des
  instituts publics et des entreprises privées

Nile Red coloration des gouttelettes lipidiques
intracellulaires (triacylglycérols)
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• 5. Biocarburants
• -Les algues unicellulaires constituent une source
  potentielle de biocarburants très intéressante
• Plusieurs techniques de production sont
  étudiées 
• -Culture en étang.
• -Culture sous serre.
• -Culture dans des bioréacteurs fortement insolés,
  où la production d'algues est accélérée par
  barbotage de CO2 (évitant ainsi le rejet immédiat
  de ce gaz à effet de serre issu d'une industrie
  polluante comme une centrale électrique thermique
  à flamme).

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Méthodes de culture et de production des
microalgues Systèmes phototrophiques
Système ouverts -Profiter de la lumière
naturelle -Système ouvert problème de
contamination par dautres algues et par des
micro-organismes -Nécessité de gérer des
quantités importantes deau pour récolter les
algues Variations de lumière journalières et
saisonnières Systèmes fermés utilisant la
lumière naturelle ? Photobioreacteurs -Eau
nutriments lumière (effet dombrage) ?
fermenteurs peu rentables -Utilisation de
matériaux transparents -Pas de contamination -Prob
lème pour éliminer loxygène produit et contrôler
la température Systèmes fermés utilisant de la
lumière artificielle -Possibilité doptimiser
les paramètres de culture -Production à faible
échelle de composé à haute valeur ajoutée
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Méthodes de culture et de production des
microalgues Systèmes hétérothrophiques
-Seules quelques espèces de microalgues sont
capables de pousser en absence de lumière
Chorella, Nitzschia, Cyclotella, Tetraselmis,
Crypthecodinium, Schizochitrium -Culture des
microalgues en utilisant le glucose ou un autre
composé carboné comme source de carbone et
dénergie -Il est estimé que la culture en
condition hétérotrophe coûte 10 fois moins chère
quen condition phototrophique -Utilisation de
fermenteurs, identiques à ceux utilisés pour les
bactéries et les levures ? contrôle de tous les
paramètres de culture -quantité de biomasse 10
fois plus élevée que ce qui est obtenu par
culture basée sur la lumière
33
Limitations
-Faible rendement au niveau de la quantité de
biomasse et de la quantité de produit
formé -Produits intéressants produits du
métabolisme secondaire, normalement synthétisés
quand la croissance est limitée -Alternative le
milking  la traite/écrémage des
microalgues  Extraction des composés au fur et
à mesure quils sont produits Utilisation de la
biomasse en continu
Principe dun bio-réacteur à 2 phases utilisé
pour la production de ß-carotène par Dunaliella
salina. Une phase organique (solvant) est
injectée et circule en continu dans la phase
aqueuse (culture) afin de réaliser lextraction
Pour plus dinformation Wijffels et
collaborateurs, Wageningen, Hollande
34
7. Les microalgues comme systèmes d'expression
génétique système eucaryotique dexpression pour
la production de protéines de mammifère/green
cell factory ?

• Intérêt des microalgues ingénierie métabolique
• -expression de gènes hétérologues
• -modification du métabolisme endogène
• Augmenter la production de composés algaux
• Production de nouvelles molécules bioactives
• Pour des applications industrielles et
  phamaceutiques
• -Microalgue la plus utilisée pour le moment pour
  ce type dapplication Chlamydomonas reinhardtii
• Synthèse danticorps et dhormones

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7. Les microalgues comme systèmes d'expression
génétique système eucaryotique dexpression pour
la production de protéines de mammifère/green
cell factory ?

• -Chez les microalgues marines, les systèmes
  dexpression sont moins avancés
• -Il faut aussi distinguer 2 types de
  transformation transformation du noyau et
  transformation des chloroplastes

-Transformation nucléaire 3 groupes
chlorophytes (chlamydomonas, algue deau douce),
diatomées (plusieurs espèces, dont Phaeodactylum
tricornutum), et dinoflagéllées (Amphidinium,
Symbiodinium) -Transformation chloroplastique Por
phyridium -Plusieurs techniques possibles
électroporation, bombardement de particules
36
Transformation nucléaire / transformation
chloroplastique
Transformation chloroplastique Recombinaison
dirigée Niveau dexpression du transgène élevé No
silencing
Transformation nucléaire Excrétion,
glycosylation Inactivation et/ou surexpression de
gènes endogènes Nouvelles voies de synthèse
37
La mise en place de systèmes dexpression
nécessite de disposer dun certain nombre
doutils, plus ou moins spécifiques des
microalgues marines
Gènes marqueurs, gène rapporteurs, promoteurs,
lusage des codons, la présence dintrons dans
les gènes,
38
Les macroalgues

• -Alimentation humaine
• - Présentation de plusieurs espèces présentant un
  intérêt économique
• Aquaculture
• - Industries agro-alimentaires
• Cosmétique
• Applications pharmaceutiques et biomédicales
• Application en agriculture (amendement, vaccin
  des plantes)
• Autres applications diverses

39
Les algues dans lalimentation humaine
-Le Japon est le premier producteur dalgues, et
cest le pays où lon consomme le plus dalgues
par habitant 1,6 à 2,3 kg/an/personne -En
France, on utilise les algues dans lalimentation
depuis plus de 40 ans, à cause de leurs
propriétés physico-chimiques (additifs
alimentaires) -Consommation des algues en
France 0.1 kg par an et par personne Récolte
annuelle dalgues alimentaires 250 tonnes en
France -Les algues peuvent être considérées
comme des légumes à part entière -Au début des
années 80, les algues en tant que légumes ont été
autorisés à la consommation en France une
quinzaine de variétés bénéficient de cette
autorisation -les macroalgues sources de
phycollo?des
40
Principales espèces dalgues utilisées dans
lalimentation
41
Algues alimentaires autorisées en France
42
Pourquoi consommer des macroalgues ?
Atouts nutritionnels -Peu de calories,
riches en fibres -Teneur en iode les macroalgues
concentrent liode contenu dans leau de mer
43
Liode en bref
Parmi les halogènes (chlore, brome) Iode
principalement dans leau de mer sous forme de
traces
Concentration totale denviron 0.50 µM soit
1/2,000ème et 1/1,000,000ème des concentrations
en brome et en chlore respectivement
Elément participant activement à la chimie de
latmosphère (destruction de lozone)
Elément indispensable dans lalimentation
humaine car primordial pour le bon fonctionnement
de la glande thyroïdienne
44
Pourquoi consommer des macroalgues ?
Atouts nutritionnels -peu de calories, riches en
fibres -teneur en iode -les macroalgues
concentrent liode contenu dans leau de mer.
-lapport de 150mg/j diode conseillé pour un
adulte pourrait être couvert par quelques
grammes secs dalgues (les laminaires sont les
plus riches) -riches en protéines, mais ne
contiennent pas tous les acides aminés présents
dans lœuf -pauvres en lipides, mais présentent
un taux en acides gras essentiels supérieurs à
celui des autres végétaux -elles constituent une
source végétale en calcium intéressante en
complément des produits laitiers ou dans certains
régimes végétariens. Le calcium contenu dans les
algues est bien assimilables par les
organismes -vitamines la composition en
vitamines des algues varie selon les
saisons -Provitamine A, vitamine C algues
brunes et vertes -vitamine E algues
brunes -vitamine B12 -les fibres les fibres
alimentaires représentent 32 à 50 de la matière
sèche, et plus de la moitié sont solubles. Elles
sont très mucilagineuses et facilitent le transit
intestinal (constipation)
45
Ulva sp.
Algues vertes
 Laitue de mer  Avis favorable pour
lalimentation humaine Algue la plus consommée
en Europe Récoltée de manière traditionnelle sur
les côtes bretonnes Crue hachée finement avec des
crudités, cuite en accompagnement, séchée Riche
en protéines (18 ) Riche en minéraux (30 )
I, Ca, Cu, Fe ( 12 fois les lentilles, 2
fois le germe de blé), Mg (jusquà 2 à 3
) Vitamines A, B1, C Complément alimentaire
pour bétail, amendement azoté
Enteromorpha intestinalis
 AoNori  Avis favorable pour lalimentation
humaine Odeur marine Riche en vitamines A, PP (B3
niacine, acide nicotinique, nicotinamide)
46
Compostage des végétaux et des algues vertes
75/25 ? Compost riche en oligo-éléments ? 2
nouveaux produits Terreau des grèves et Terreau
de la baie
"Au départ, explique Bernard Robert, le mélange
s'opérait à 50/50 avec pour principal objectif de
stabiliser les algues. Mais désormais il
s'effectue à 75 de végétaux et 25 d'algues.
Ce qui permet d'obtenir un compost aux normes
AFNOR 44 051 "Amendement organiques"
commercialisé sous l'appellation "Terreau des
Grèves". La technique a d'abord fait l'objet
d'expérimentations sous le contrôle de la Chambre
d'agriculture du Finistère à St Pol de Léon et
des analyses régulières sont effectuées auprès de
laboratoires officiels comme le LDA de
Ploufragan.
47
Algues brunes
Espèce largement exploitée cosmétique,
agriculture, alimentation Technique de récolte
manuelle
Ascophyllum nodosum
Avis favorable pour lalimentation humaine Riche
en vitamines B, en iode et en fer
Avis favorable pour lalimentation
humaine Consommation récente  spaghettis ou
haricots de mer  Cru en salade ou cuit Riche en
minéraux (32 du poids sec) Riche en vitamines
A, B6, F, C et D Bocaux dans les grandes
surfaces Riche en alginates
Himanthalia elongata
 Wakamé  Traditionnel en Asie Avis favorable
pour lalimentation humaine Introduction
accidentelle en Méditerranée Techniques de
culture développée par lIFREMER Cultures en
Bretagne pour lalimentation Riche en
protéines Riche en minéraux (26) Na, Fe, K, Ca
(10 à 20 fois celle du lait) Vitamines A, B1, B2,
C
Undaria pinnatifida
48
Les différentes parties du thalle de Laminaria
digitata