Eco-technologies for immobilizing redox enzymes on conductive textiles, for sustainable development

par May Kahoush

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

  • Titre traduit

    Eco-technologies pour l'immobilisation d'enzymes redox sur des textiles conducteurs, pour un développement durable


  • Résumé

    L'immobilisation d'enzymes sur des supports conducteurs d’électricité est nécessaire afin d’améliorer leur bioactivité et leur stabilité, pour une utilisation et une réutilisation dans des applications dépendant de la réponse bio-électrochimique, telles que des bioélectrodes, des biocapteurs ou des piles à biocarburant. Cependant, les méthodes d'immobilisation utilisées rencontrent encore de nombreux défis en termes de risques pour la santé et d'impact environnemental. Il est donc important de trouver des approches équilibrées et respectueuses de l’environnement pour parvenir à une immobilisation efficace avec un minimum de conséquences néfastes. Ainsi, dans le cadre de cette thèse, l’utilisation d’écotechnologies telles que le plasma froid, le dépôt de polymère conducteur biocompatible (PEDOT: PSS) et d’un agent de réticulation biologiquement basé sur la génipine, peu toxique, permettant l'immobilisation de glucose oxydase (GOx) sur des textiles nontissés à base de fibres de carbone a été étudiée. Ces textiles à base de carbone, quelle que soit leur hydrophobicité, sont des matériaux robustes à utiliser comme alternative aux métaux rigides onéreux, car ils possèdent une bonne conductivité électrique et une bonne résistance à la corrosion dans différents milieux. Les résultats obtenus ont montré que le traitement plasma froid avec un mélange gazeux d'azote et d'oxygène était efficace pour fonctionnaliser la surface des nontissés de carbone vierge et ceuxrevêtus de PEDOT: PSS. Une augmentation des énergies de surface des fibres de carbone facilite l’immobilisation de GOx par adsorption physique avec une bioactivité maintenue et une meilleure capacité de réutilisation. En outre, l’immobilisation de GOx au moyen de génipine en tant qu’agent de réticulation améliore de façon remarquable la stabilité des performances des feutres de carbone bio-fonctionnalisés. Cet agent de réticulation s'est révélé capable de réticuler directement les enzymes sans matrice ni hydrogel. Enfin, les textiles de carbone bio-fonctionnalisés obtenus ont été principalement évalués pour une utilisation dans des applications durables pour le traitement des eaux usées telles que la Bio-Fenton (BF) et la Bio-Electro-Fenton enzymatique (BEF). Les résultats ont montré que la bioactivité et la bio-activité électrique du GOx immobilisé étaient prometteuses pour l’élimination de la couleur du colorant réactif Remazol Blue RR et sa dégradation partielle à partir de la solution dans les deux traitements, ce qui a prouvé l’efficacité des méthodes d’immobilisation choisies pour la production de textiles bioactifs. Ces textiles peuvent être utilisés comme électrodes pour la production d'énergie et la dépollution.


  • Résumé

    Enzyme immobilization on electrically conductive supports is necessary to improve their bioactivity and stability, for use and re-use in applications depending on bio-electrochemical response, such as in bioelectrodes, biosensors, or biofuel cells. However, the immobilization methods used are still facing many challenges in terms of health hazards and high environmental impact. Thus, it is important to find balanced and eco-friendly approaches to achieve efficient immobilization with minimum harmful consequences. Hence, within the frame of this thesis, the use of eco-technologies such as cold remote plasma, a bio-compatible conductive (PEDOT:PSS) polymer coating, and a bio-based crosslinker “genipin” which has low toxicity, to immobilize glucose oxidase (GOx) enzyme on conductive carbon fiber-based nonwoven textiles was investigated. These carbon-based textiles, regardless of their hydrophobicity, are robust materials to be used as alternative for expensive rigid metals, since they possess good electrical conductivity and good resistance to corrosion in different media. The results obtained showed that cold remote plasma treatment with nitrogen and oxygen gas mixture was efficient in functionalizing the surface of carbon felts and PEDOT:PSS coated felts. This increased carbon fiber surface energies, and facilitated the immobilization of GOx by physical adsorption with maintained bioactivity and improved reusability. Furthermore, immobilization of GOx using genipin as a crosslinking agent improved remarkably the stability of performance of bio-functionalized carbon felts. This crosslinker showed to be able to directly crosslink the enzymes without a matrix or hydrogel. Finally, the obtained bio-functionalized carbon textiles were primarily evaluated for use in sustainable applications for wastewater treatment such as Bio-Fenton (BF) and enzymatic Bio-Electro-Fenton (BEF). The results showed that bioactivity and bio-electro-activity of immobilized GOx was promising in color removal of Remazol Blue RR reactive dye and its partial degradation from solution in both treatments, which proved the success of the chosen immobilization methods in producing bioactive textiles that can be used as electrodes for power generation and pollution control.


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