Projet ANR-14-LAB3-0009 – C2R-BioNut : Chimie du Carbone Renouvelable pour la Bio-Fertilisation & Nutrition des Plantes
Programme : Laboratoires Communs organismes de recherche publics - PME/ETI - Vague 3 (LabCom - Vague 3)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur ZEPHIRIN MOULOUNGUI (Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle)
Partenaires : Chimie Agro-Industrielle
Montant : 300000.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 36 mois
Résumé : LabCom C2R BioNutChimie du carbone renouvelable pour la bio-fertilisation et nutrition des plantes
Problématique en adjuvantation - complexation - vectorisationLa croissance démographique mondiale est galopante : 7 milliards d’habitants en 2012, il est prévu 9,5 milliards  en 2050 selon le scénario moyen de l’ONU. C’est un défi majeur pour l’agriculture que de remplir et de sécuriser les besoins alimentaires croissants en quantité et en qualité. Une des approches privilégie l’intensification de l’agriculture. Mais se posent les questions de la disponibilité, accessibilité et répartition des terres arables, cultivables par habitant et par an. A cela, s’ajoutent la destruction des écosystèmes et de l’environnement par l’apport des pesticides, des engrais azotés et adjuvants polluants (nitrates, adjuvants fossiles, composés organiques volatils COV,…) et la consommation d’eau par irrigation non contrôlée. La pollution chimique des écosystèmes, la raréfaction de l’eau par sa forme de circulation en agriculture (eau verte d’irrigation), les gaz à effet de serre GES (CO2, NO2, NH3, O3…) et la criticité et disponibilité des principaux éléments nutritifs notamment minéraux soumis à la volatilité des prix sont des facteurs limitant qui pèsent énormément sur la  production agricole. Ce qui sous-entend que la Nutrition des Plantes d’Aujourd’hui et de Demain est à repenser pour augmenter la biodisponibilté des éléments nutritifs « essentiels ». L’objectif principal du C2R-BioNut est de concevoir des solutions innovantes en BioFertilisation et Nutrition des Plantes pour les besoins de l’agriculture de demain : l’enjeu est de maintenir un niveau de production agricole élevé, tout en limitant l’impact environnemental dans un contexte de changement climatique Trois stratégies sont mises en œuvre : deux stratégies de type dual : chimie verte/agronomie, Biotechnologie/agronomie et une stratégie selon le tryptique chimie verte/biotechnologie/agronomie. De par leur multidisciplinarité, ces approches visent un effet synergique.
I - Synthèse des adjuvants en C3 biosourcés ; II - Vectorisation et libération des agromatériauxMETHODES : I - Méthodes en chimie de synthèse : 1) uréthanisation one-pot ou en deux étapes du glycérol en carbonate de glycérol ; 2) acylation du carbonate de glycérol en systèmes organisés par estérification et transestérification pour la synthèse des esters de carbonate de glycérol ; 3) oligomérisation des coupleurs chimiques glycériliques cyclocarbonates (esters de carbonate de glycérol) par ouverture du cycle à 5-chainons en réacteur autogène et système triphasique liquide/solide/gazII - Méthodes en caractérisation : analyses croisées et caractérisation des structures des esters de carbonate de glycérol  et oligocarbonate et oligoglycérol acylés par RMN 1H, 13C, IRTF, SM, Maldi-TofIII - Méthodes de complexation par interaction entre les carbonates cycliques et les métaux in vitro et in silicoIV - Modélisation in silico  des potentialités d'utilisation des carbonates cycliques dans la vectorisation des métaux V - Formulation et libération contrôlée des agromatériaux via l'élaboration des suspensions concentréesAPPROCHES :I - Concept dual «Chimie Verte - Agronomie«II - Le tryptique «Chimie Verte - Biotechnologie « Agronomie«
Résumé de la soumission : Le Laboratoire Commun C2R-BioNut émane du Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle – UMR CAI 1010 INRA/INP-ENSIACET et de la société Agronutrition. Son objectif principal est de concevoir dès juin 2014 des solutions innovantes en BioFertilisation pour la Nutrition des Plantes. L’enjeu est de maintenir dans une agriculture durable un niveau de production agricole élevé, tout en limitant l’impact environnemental. Trois stratégies sont mises en œuvre dont deux stratégies de type dual : Chimie Verte/Agronomie, Biotechnologie/Agronomie et une stratégie selon le triptyque Chimie Verte/Biotechnologie/Agronomie. De par leur multidisciplinarité, ces approches visent un effet synergique.- Stratégie Chimie Verte/ Agronomie. La chimie du carbone renouvelable utilisera le glycérol comme modèle de source de carbone. Le glycérol, co-produit des industries oléochimiques sera une matière première utilisée dans le programme pour étudier les voies originales de synthèse de synthons cyclocarbonates glycériliques technofonctionnels, de synthèse des monomères et oligomères carbonates glycériliques linéaires et/ou hyperbranchés et de synthèse des macromolécules dendrimères-like. Ces nouvelles matières biosourcées offrent des opportunités d’élaborer des fluides électrorhéologiques voire magnéto-rhéologiques en l’état ou de préférence en interactions avec les macro-, méso- et oligoéléments. On se propose de développer des nouvelles technologies de constructions particulaires, hybrides, organique-inorganique aux structures évolutives réversibles solide/liquide douées des propriétés d’adjuvantation compatibilisantes des intrants. Elles offrent l’opportunité d’étudier le concept « hôte/invité ». Le concept « hôte/invité » sera placé au centre d’études de complexation, vectorisation et libération contrôlée et ciblée.- Stratégie Biotechnologie/Agronomie et contrôle des intrants par l’approche associative des interactions micro-organismes/plantes cultivées. Le programme Biotechnologie/Agronomie de la Société Agronutrition a permis de développer spécifiquement des biofertilisants sous forme de solutions innovantes basées sur trois types de microorganismes, les Actinomycètes, les Azotobacters et les Endomycorhizes. Plusieurs verrous demeurent sans solutions dans cette thématique et nécessitent des efforts supplémentaires pour la formulation, la vectorisation et la potentialisation des activités biologiques d’actifs. Le développement économique de ses produits est principalement freiné par l’absence de ce type de solutions. Elles pourraient être apportées par les avancées technologiques de la chimie du glycérol.Les activités de recherches menées au sein de la plateforme biotechnologie d’Agronutrition contribuent à l’acquisition de nouvelles connaissances sur l’impact de ces micro-organismes sur la physiologie des plantes cultivées. Elles font l’objet de valorisations industrielles pour optimiser les productions végétales comme sources de carbone vert et la conception de nouveaux produits phytopharmaceutiques pour la biosanté des plantes cultivées (biofertilisants, biostimulants et biocontrôle des maladies). Stratégie Chimie Verte/Biotechnologie/Agronomie. La chimie du carbone renouvelable suggère un deuxième modèle exploratoire pour exalter les synergies des signatures moléculaires et leur réponse aux stress et stimuli extérieurs biotiques et abiotiques. Les constituants membranaires (oléosomes/oléosines, phospholipides, sphingolipides, stérols…) seront mis à profit pour leurs propriétés techno-fonctionnelles intrinsèques et pour leur richesse en oligoéléments natifs. Des approches d’adsorption réversibles de ces multi-constituants et de conservateurs et d’antioxydants sur des microorganismes (bactéries, champignons, …) et/ou des extraits biosourcés seront proposées pour formuler ces matières actives sous forme de films fins pour stimuler leur effet nutriciteur.
Résultats : En synthèse chimique, la conception et la réalisation des building blocks selon le concept de la chimie en C3 du glycérol/carbonate de glycérol a permis de réaliser la diversité structurale chimique des monomères et des oligomères compatibles avec la diversité structurale chimique des surfaces foliaires. Il est ainsi introduit la fonctionnalité et la technofonctionnalité dans les structures en C3 à base du glycérol et du carbonate de glycérol ou dans les oligomères obtenus par excroissance du squelette glycérol en homo-oligocarbonate de glycérol, homo-oligoglycérol et co-oligocarbonate/oligoglycérol. In vitro et in vivo le concept de l'adjuvantation - complexation - vectorisation est démontré par le biais des interactions entre les esters de carbonate de glycérol et les agromatériaux et par la formulation des suspensions concentrées de Mn.  Le mécanisme de transport des matières actives - agromatériaux et/ou micro-organismes se traduit par le bio-contrôle de la croissance et du développement de la plante grâce à l'utilisation des formulations à base des émulsions natives et/ou des coupleurs chimiques glycériliques qui ont révélé des propriétés élicitrices chez les plantes.
Perspectives : En chimie de synthèse, la bio-inspiration selon la diversité structurale chimique des surfaces foliaires oriente nos travaux vers la conception et l'élaboration des coupleurs chimiques glycériliques cyclocarbonates, des oligomères et des dendrimères à terminaison carboxyliques. Ces nouveaux candidats seront étudiés en complexation via la compréhension des interactions avec les métaux par les méthodes de modélisation in vitro et des méthodes de libération contrôlée des agromatériaux in vivo. Il sera question de comparer la robustesse des candidats à terminaison hydroxyméthyles par rapport à celle des candidats à terminaison carboxyliques dans leur rôle de transport et de la maîtrise du développement de la croissance de la plante soumis aux stress biotique et abiotique.
Publications et brevets : MOULOUNGUI Z. ATTIA F. DUMAS B. Procédé de conservation de micro-organismes à température ambiante et composition. FR 14.62208  10/12/2014
MOULOUNGUI Z. DUMAS B. ATTIA F. Composition antiseptique par contact et procédé non thérapeutique de traitement antiseptique par contact. FR 14.62205  10/12/2014
MOULOUNGUI Z. LACROUX E. DUMAS B. BELMAS E. ATTIA F. Procédé de préparation d’une composition de traitement de plante, composition obtenue et ses utilisations. FR 14.62200 6 10/12/2014
ABDEL  Z. MOULOUNGUI Z. CABANES C. ATTIA F. GUEUNIER M VALENTIN R. ZEBIB B. Utilisation d’esters carboniques de glycérol en agriculture. FR 3 003 130 (19/09/2014)
VALENTIN R. HOLMIÈRE S. MOULOUNGUI  Z. Esters of Oligo-(Glycerol Carbonate-Glycerol Ether) as Alternative to Fossil Surfactants. 7th Workshop on Fats and Oils as Renewable Feedstock for the Chemical Industry. Karlsruhe (Allemagne) March 23 – 25 2014
VALENTIN R. NYAME MENDENDY G. MOULOUNGUI Z. Physico-chemical understanding of the synthesis of partial glycerol and diglycerol esters of undecylenic acid. 106th AOCS Annual Meeting and Industry Showcases. Orlando, Floride (USA), 3-6 may 2015
THIEBAUD  S. BERGEZ  M. DE CARO P. FABRE J.F. GERBAUD V. MOULOUNGUI Z. Substitution methodologies to design new bio-based solvents. International Workshop on Alternative Solvents for Extraction, Purification and Formulation. Avignon, 4 Juin 2015 
ATTIA F. ABDEL  Z. VALENTIN R. ZEBIB B. MOULOUNGUI Z.  Do bionik molecules of plant cuticle act as biostimulant through their multifunctionnalties. 2nd World Biostimulants Congress. Florence (Italie), 16-19 nov 2015
BERGEZ M. THIEBAUD S. DE CARO P. FABRE J.F. GERBAUD V. MOULOUNGUI Z. From chemical platform molecules to new biosolvents: Design engineering as substitution methodology. BIOFPR, 2014, 8(3), 438-451
FABRE J.F. LACROUX E. VALENTIN R. MOULOUNGUI Z. Ultrasonication as a highly efficient methode of flaxseed mucilage extraction. Ind. Crops Prod. 2014, doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.11.015