FACULTE TUNIS EL MANAR INSTITUT SUPERIEUR DES SCIENCES BIOLOGIQUES APPLIQUEES DE TUNIS DKHAILI MANEL PE2A4 SUJET: LES BIOCAPTEURS EN DOMAINE ENVIRONNMENTAL 2007-2008

SOMMAIRE INTRODUCTION GENERAL LES BIOCAPTEURS EN STATIONS D’EPURATION LA MESURE DE LA POLLUTION ORGANIQUE LA MESURE DE LA TOXICITE LA MESURE DES PESTICIDES LA MESURE DES METAUX LOURDS BIOCAPTEURS DE DETECTION D’ALGUES TOXIQUES BIOCAPTEUR INFRAROUGES POUR L’ENVIRONNEMENT MARIN

LE FONCTIONNEMENT DU BIOCAPTEUR Principe général: transformer un phénomène biologique ou une propriété biochimique d'un système en un signal électrique

LES STATIONS D'ÉPURATION = STEP   Le fonctionnement  Il existe différents traitements : les traitements primaire, secondaire, et tertiaire. Le traitement primaire a pour but de séparer les objets de grande taille et les particules grossières par une filtration sommaire. Le traitement secondaire est une épuration biologique des eaux pour éliminer la pollution des matières organiques fermentescibles grâce à l'activité bactérienne aérobie dégradant par voies oxydatives. cela permet d'éliminer la  DBO : Demande Biologique en Oxygène. Le traitement tertiaire a pour objectif d'éliminer les sels minéraux nutritifs et les contaminants résiduels polluants. Il est  généralement utilisé pour des effluents industriels.

Le principe de fonctionnement d'une station d'épuration                   

Le rôle des biocapteurs Les biocapteurs permettent différentes mesures au niveau de la station d'épuration :                    • la mesure de la pollution organique                    • la mesure de la toxicité                    • la mesure des pesticides                    • la mesure des métaux lourds

      La mesure de la pollution organique         Elle est mesurée à partir d'un test de DBO (Demande Biologique en Oxygène) qui demande l'incubation à 20°C pendant 5 jours de l'échantillon, grâce aux biocapteurs le temps est ramené à 15 minutes. Ils sont basés sur l'immobilisation de Clostridium butyricum sur une membrane perméable à l'oxygène le tout sur une électrode à oxygène dite électrode de Clarke.       L'électrode est constituée d'une cathode de platine, d'une anode d'argent circulaire et d'une membrane perméable à l'oxygène en téflon         Lorsque la bactérie est en présence de matière organique, elle consomme de l'oxygène ce qui diminue le signal de l'électrode. Le signal : un courant proportionnel à la quantité d'oxygène utilisée

Schéma d’une electrode à pO2

  La mesure de la toxicité Elle est dure à évaluer par des méthodes classiques d'où le développement de biocapteurs sensibles à la toxicité globale. L'électrode à cholinestérase permet le dosage global des organophosphates et des carbonates. Ce système peut être intégré dans un système automatisé pour le contrôle de la qualité.           Actuellement en développement la modification génétique d'Escherichia Coli avec un gène de fluorescence. Ainsi lorsque la bactérie est en présence de toxiques, elle active son système de défense et donc le gène de fluorescence qui lui est associé.

Le signal : une intensité lumineuse en fonction de la dose de polluants            => c'est un système simple, rapide et peu coûteux puisqu'il suffit de saupoudrer le prélèvement des bactérie et le temps de réponse est de 10 minutes.

La mesure des pesticides Les pesticides les plus dangereux sont les organochlorés et les organophosphorés. Il existe plusieurs types de biocapteurs : Les biocapteurs enzymatiques: ils détectent les organophosphates par l'immobilisation d'acétylcholinestérase ou de butyrylcholinestérase. On obtiendra un courant proportionnel à la quantité de pesticides. On peut également immobilisé une hydrolase de Pseudomonas diminuta qui conduit à une diminution de pH. Les biocapteurs à récepteurs: ils peuvent  être végétal ou animal. Les molécules organophosphorés se fixent sur ces récepteurs d'où un changement de potentiel.

Les biocapteurs à cellules ou tissus biologiques: on immobilise de la phosphatase acide de pomme de terre plus de la glucose oxydase ou de l'ascorbate oxydase de concombre. on observa une diminution de la consommation d'oxygène en fonction de la quantité d'organophosphorés. Une équipe française met au point des cyanobactéries génétiquement modifié pour produire de la luminescence en présence de phosphates, azote ou fer qu'elles utilisent comme nutriments.

La mesure des métaux lourds Le dosage des métaux lourds avec des biocapteurs ne peut se faire qu'à faible concentration car à forte concentration ils font précipiter les protéines. Le biocapteur ne donne qu'une réponse correspondant à l'inhibition globale.

Biocapteurs de détection d'algues toxiques L’évaluation de la qualité de l’environnement marin requiert de plus en plus des observations continues ou semi continues et la détection précoce d’éléments toxiques. C’est le cas des détections d’algues toxiques telles qu’Alexandrium minutum. Les toxines produites par Alexandrium minutum sont paralysantes et peuvent être mortelles pour l’homme. Lors de blooms, ces toxines rendent les coquillages impropres à la consommation. Les méthodes actuelles de détection d’Alexandrium minutum sont longues et font appel à des experts. Aussi une détection rapide et sensible représenterait un apport majeur dans la gestion des épisodes de toxicité. L’enjeu est sanitaire, mais aussi économique, car les interdictions préfectorales de consommation des mollusques peuvent entraîner des pertes financières importantes pour les professionnels

- La détection d’hybridation de brins d’ADN directement sur supports métalliques ou de verre après immobilisation des sondes nucléiques.

Biocapteurs infrarouge pour l'environnement marin (BIRMA) L’Ifremer et deux laboratoires de l’Université de Rennes —le laboratoire des Verres et Céramiques (LVC) et le laboratoire de Chimie du Solide et Inorganique Moléculaire (LCSIM) ont obtenu fin 2004 le soutien de la Région pour le financement d’un projet de recherche (PRIR) sur le développement de biocapteurs Infrarouge pour l’environnement marin. L’optique Infrarouge (FT-IR) est très largement utilisée pour la caractérisation des interfaces matériaux/biomolécules. Les objectifs de ce projet sont l’étude de nouvelles interfaces de transduction pour des applications capteurs pour l’environnement, en particulier l’existence de matériaux vitreux ayant un domaine de transparence dans l’Infrarouge moyen, région dans laquelle la plupart des molécules biologiques ou chimiques possèdent une signature

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