Mesure de la concentration en polluants organiques dans l’eau : Etat de l’art et problématique

Le traitement et le suivi de la qualité des eaux usées suscitent un intérêt majeur depuis quelques années. En effet, la contamination de l’eau peut affecter la santé humaine et peut avoir des conséquences importantes sur l’environnement. La détection de polluants dans l’eau est ainsi devenue un enjeu de santé publique et économique de premier ordre. Des stratégies de suivi et de surveillance de la qualité de l’eau ont été développées aux échelles nationales et internationales. Ainsi, plusieurs organismes et agences internationales : le Bureau de Recherche Géologique et Minière (BRGM) [19], l’ »Europe Water Framework Directive » (EU WFD) [20], la « United States Environmental Protection Agency » [21], l’association américaine de santé publique (APHA) [22],…, ont mis en place des normes pour la surveillance des eaux.

Ces diverses règlementations ont engendré un effort de recherche important afin de développer des systèmes de détection sensibles et fiables avec des dispositifs d’alerte en ligne soit en sortie des sites industriels soit pour la surveillance des cours d’eau. Comme tout domaine de recherche en pleine expansion, le suivi de la qualité des eaux mobilise la communauté scientifique et on peut dénombrer envion 200000 publications par an dans le domaine depuis 2014 .

Etat de l’art

Selon ses caractéristiques, l’eau répond à plusieurs usages tels que l’irrigation, les besoins domestiques humains, l’industrie…[23]. La liste des subtances prioritaires à détecter est publiée par le journal officiel de l’Union Européenne. Les principaux indicateurs de la qualité des eaux sont résumés ci-dessous :
• les Matières en Suspension Totale (MEST) : Elles représentent la quantité de matière organique et minérale non dissoute dans l’eau. Ces matières en suspension peuvent engendrer la turbidité de l’eau, diminuer l’oxygène dissous et perturber la respiration des organismes [24].
• Les caractéristiques physicochimiques : Le potentiel d’hydrogène, la température, la conductivité, la concentration en oxygène dissous, la turbidité des hydrocarbures, l’indice UV, la transparence … [25].
• Les métaux lourds : Le cuivre, le zinc, le mercure,… peuvent être très toxiques et causer de graves problèmes de santé. Ainsi, la surveillance de la concentration de ces derniers est une partie essentielle du traitement des eaux [26].
• Les intrants et les rejets ménagers : Les activités agricoles et les déchets ménagers sont principalement l’origine de la présence des nutriments tels que l’azote, le phosphore, le nitrite, le nitrate, le calcium, le potassium et l’ammoniac. Une forte concentration de ces derniers contribue à la prolifération de la biomasse [27].
• Les pesticides : ce sont des contaminants organiques utilisés principalement en agriculture afin de protéger les cultures et améliorer le rendement de la production. Le contrôle de la concentration de ces derniers dans les eaux est primordial. Ils représentent une menace pour la faune et la flore [28].
• La concentration en oxygène dissous : elle est un marqueur de la respiration bactérienne dans les eaux de rejet et donc des processus de la dégradation de la matière organique ou inversement de la présence de matières toxiques qui inhibent l’activité respiratoire des bactéries.

C’est sur ce dernier point que nous positionnons cette thèse, en raison de la dualité de cette approche c’est à dire sa capacité à suivre la dégradation de la matière organique bio-dégradable ou à détecter la présence d’espèces toxiques. Le but de ce premier chapitre est de dresser l’état de l’art dans ce domaine et de motiver l’utilisation des microtechnologies pour la conception et la réalisation d’un capteur miniaturisé. Nous distinguerons trois types de méthodes notamment les méthodes conventionnelles (méthodes décrites par des normes internationales ISO), les méthodes dites alternatives (qui viennent améliorer les méthodes conventionnelles) et les biocapteurs (dispositifs miniaturisés).

Méthodes conventionnelles de mesure de l’oxygène dissous 

Méthode électrochimique

L’électrochimie est une discipline régissant les transferts de charge entre deux conducteurs : une solution électrolytique (conducteur ionique) permettant le transport de charges par déplacement d’ions et un métal ou un semi-conducteur (conducteur électronique) assurant le transport de charges par déplacement d’électrons [29]. Une différence de potentiel apparait lors de la mise en contact des deux conducteurs : il s’agit d’un potentiel électrique non mesurable dans l’absolu mais repérable par rapport à une électrode de référence.

Il s’agit d’une électrode qui mesure la concentration en oxygène dissous en milieu liquide selon la réaction suivante [30] :

O2 + 4e⁻ + 4H⁺ → 2H2O (1.1)

Le système complet est composé d’une cathode en platine et d’une anode en argent qui sont plongées dans un électrolyte et isolées de la chambre de réaction par une membrane mince en teflon. Cette dernière est perméable à l’oxygène moléculaire et imperméable à l’eau et aux ions. Une tension appliquée entre l’anode et la cathode induit une réduction électrolytique du dioxygène diffusant à travers la membrane selon l’équation 1.1.

Méthodes alternatives

Compte tenu de toutes les limites des méthodes standards, des méthodes alternatives ont été développées afin de remédier à quelques inconvénients exposés ci-dessus. Elle apportent des améliorations principalement au niveau de la sensibilité, la sélectivité, la gamme de mesure, la simplicité de mesure, le coût de la mesure et la maintenance [35]. Ces méthodes ne résolvent cependant pas le problème de la durée de la mesure importante, en particulier dans le suivi de la biodégradation organique [36].

Le problème de la durée de la mesure reste néanmoins non résolu. Des systèmes commercialisés ont vu le jour sous forme de kits prêts à l’emploi. Le kit LCK de la société Hach se base sur l’ajout de réactifs aux échantillons. Après incubation de 5 jours, un colorant rouge se forme dont la nuance traduit la concentration en oxygène dissous [40]. Une mesure par spectrophotométrie de cette nuance permet l’estimation de la consommation de l’oxygène par les microorganismes et permet par exemple de déduire la valeur de la demande biochimique en oxygène (DBO) à travers différents modèles prédictifs.

Le système Nanocolor de la société allemande Marcherey-Nagel utilise une méthode de mesure photométrique [6]. Il reproduit les mêmes étapes que la méthode iodométrique de Winkler (dilution des échantillons à analyser, incubation à 20°C dans une pièce sombre, temps de mesure). Il s’agit d’un système à cuvettes et la concentration en oxygène est mesurée avant et après la période d’analyse. La dernière version du spectrophotomètre Nanocolor est une version numérisée avec un affichage des résultats de l’analyse de l’échantillon.

Mesure par médiateur rédox de la matière organique biodégradable

Plusieurs capteurs ont été développés dans la littérature se basant sur des médiateurs rédox. Habituellement, les micro-organismes oxydent la matière organique en condition aérobique. Cependant, en présence d’un médiateur rédox, ce dernier agit comme un accepteur d’électrons à la place de l’oxygène [42, 43, 44, 45, 46]. La quantité du médiateur rédox réduit par la réaction de biodégradation est directement proportionnelle à l’activité métabolique des microorganismes et donc à la quantité de matière organique biodégradable. L’ajout d’un substrat à un milieu contenant un excès d’un médiateur rédox entraîne une augmentation de l’activité métabolique des bactéries et de la quantité de médiateur réduit. La réoxidation de ce dernier génère un courant quantifiable par une méthode coulométrique [47] ou ampérométrique [42]. Les travaux de Pasco [47] et de Yoshida [42] dans les années 2000 ont permis le développement de capteurs basés sur ce principe. L’équipe de Learoyd [44] a étudié le taux de réduction de sept colorants rédox par treize souches bactériennes. Différentes combinaisons de bactéries et colorant rédox ont été faites. Le bleu de toluidine et l’éthosulfate de phénazine ont été les plus rapidement réduits par la majorité des bactéries. Le principal avantage est qu’avec ces médiateurs rédox, la réaction de biodégradation ne dépend pas de l’oxygène dans le milieu réactionnel [47]. De plus, avec un médiateur rédox, il n’est pas nécessaire de diluer les échantillons. Enfin, la durée d’analyse est plus courte que pour les méthodes standards étant donné que le médiateur rédox accélère la biodégradation.

Table des matières

INTRODUCTION
1 Mesure de la concentration en polluants organiques dans l’eau : Etat de l’art et problématique
1.1 Problématique générale
1.2 Etat de l’art
1.2.1 Méthodes conventionnelles de mesure de l’oxygène dissous
1.2.2 Méthodes alternatives
1.2.3 Dispositifs miniaturisés de mesure de polluants organiques (biodégradables)
1.2.4 Conclusions sur l’état de l’art
1.3 Objectifs de la thèse
2 Développement du capteur à Optode
2.1 Macrosystème à optode
2.1.1 Optimisation du système de mesure avec du milieu LB et du glucose
2.1.2 Mesure de la concentration en matière organique à l’aide d’un capteur à optode
2.2 Microsystème à optode
2.2.1 Réalisation du système microfluidique
2.2.2 Mesure de la concentration en matière organique à l’aide d’un capteur miniaturisé à optode
2.3 Conclusion
3 Développement du capteur à résazurine
3.1 Introduction
3.2 Qu’est ce que la résazurine?
3.3 Préparation de l’échantillon
3.4 Mise en place d’une expérience de référence
3.4.1 Optimisation du protocole expérimental
3.4.2 Etalonnage de la mesure de la concentration en matière organique
3.4.3 Conclusion .
3.5 Ingénierie du microsystème à résazurine
3.5.1 Amélioration de la chaîne instrumentale
3.6 Conception et réalisation des biopuces
3.6.1 Design des biopuces
3.6.2 Première génération de biopuce : Biopuces PDMS
3.6.3 Deuxième génération de biopuces : Biopuces SU8
3.6.4 Troisième génération de biopuces : Biopuces en film DF
3.7 Conclusion
4 Cas d’étude d’une application toxicologique
4.1 Introduction
4.2 Application toxicologique
4.2.1 Protocole expérimental
4.2.2 Souche E.coli
4.2.3 Souche Pseudomonas aeroginosa
4.2.4 Souche Rhizobium radiobacter
4.2.5 Conclusion
4.3 Vers une application sur le terrain
4.3.1 Protocole expérimental
4.3.2 Mélangeur fluidique
4.4 Conclusion
CONCLUSION

Lire le rapport complet