Biocapteur pour la surveillance de la qualité de l'eau : Application aux eaux pluviales et de stations d'épurations

Biosensor for monitoring the biodegradability and toxicity of stornwater treatment plants

• Auteur / Autrice : Loïc Recoules
• Direction : Anne-Marie Gué, Ali Boukabache
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano systèmes
• Date : Soutenance le 22/09/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse]

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtechniques

Biocapteurs

Eau -- Qualité -- Postes de surveillance

Mots clés libres

Biocapteur

Environnement

Microsystème

Biosensor

Environnement

Microsystem

Résumé

Ces dernières années, de nouvelles règlementations concernant la protection environnementale ont vu le jour, notamment avec la Directive Cadre sur l'Eau proposée en 2000. Celle-ci impose des normes de plus en plus contraignantes sur les rejets des systèmes d'assainissement dans les milieux récepteurs. Ces rejets sont d'autant plus conséquents que les évènements pluvieux sont plus intenses, causes du changement climatique, et que la population augmente comme le souligne le Plan National Santé Environnement (2009-2013). Le test de la Demande Biologique en Oxygène (DBO) est à ce jour le plus largement utilisé pour répondre à ces normes. Cependant, sa durée de réalisation ne permet pas aux gestionnaires de systèmes d'assainissement d'anticiper les pics de pollution, et de rétroagir sur le procédé d'assainissement avant déversement dans le milieu récepteur. De plus, ce test normalisé utilise un inoculum bactérien, issu de l'environnement, contenant différentes souches dont la diversité et la concentration est inconnue. Ceci ne permet pas, alors, d'avoir une bonne reproductibilité sur la mesure de la DBO. C'est donc dans ce contexte de protection environnementale que le projet BIOGUARD, issu d'une entente entre la recherche académique et les industriels du domaine, se positionne. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous avons développé des outils et méthodes permettant de réduire à la fois le volume d'échantillon utilisé pour la mesure par une approche d'intégration microsystème, et à la fois la durée de l'analyse par une optimisation du processus de biodégradation par les bactéries, et par une approche de modélisation mathématique. Deux types de capteurs optiques ont été utilisés, le premier permettant de mesurer l'oxygène dissous, et le second permettant de mesurer l'activité bactérienne. Ces deux capteurs ont été intégrés dans des dispositifs microfluidiques en technologie verre-PDMS, qui est une technologie tout à fait adapté à ce type de recherche du fait de sa biocompatibilité, de sa simplicité de mise en œuvre et de sa grande adaptabilité. L'une des innovations de ce projet est de proposer un biocapteur combinant les réponses de plusieurs souches bactériennes spécifiquement choisies afin d'augmenter la précision et la reproductibilité de la mesure. Lors de nos expériences, cependant, une seule souche bactérienne sera utilisée. Une étude des facteurs d'influence a été mené afin d'observer les changements du comportement bactérien. Avec les résultats expérimentaux obtenus, nous avons tenté d'expliquer ces changements par une approche mathématique, en utilisant des modèles théoriques de croissance bactérienne, dans le but de prédire la valeur de la DBO. Enfin, un prototype macro-fluidique, basé sur une seule souche bactérienne, réutilisable et automatique a également été développé dans le but de proposer une architecture fluidique simple que l'on pourrait alors dupliquer pour l'utilisation de la totalité des souches prévues dans le projet.

In recent years, new regulations concerning environmental protection have emerged, particularly with the Water Framework Directive proposed in 2000. It imposes standards more restrictive on discharges from wastewater systems in receiving environments. These discharges are even more consistent than the rainfall events are more intense, causes of climate change, and population increases as outlined in the Plan National Santé Environnement (2009-2013). The test of the Biological Oxygen Demand (BOD) is to date the most widely used to meet these standards. However, its achievement time does not allow managers sewerage systems to anticipate pollution peaks, and to retroact on the purification process prior to discharge into receiving environment. In addition, this standardized test uses a bacterial inoculum from the environment, containing different strains with the diversity and concentration is unknown. This does not, then, to have a good reproducibility of the measurement of the BOD. It is in this environmental protection context that the BIOGUARD project, result of an agreement between academic and industrial research in the field, is positioned. As part of these thesis works, we developed tools and methods to reduce both the volume of sample used for the measurement with a micro-integration approach, and both the duration of the analysis by an optimization of the biodegradation process by bacteria, and by mathematical modeling approach. Two types of optical sensors have been used, the first for measuring dissolved oxygen, and the second to measure the bacterial activity. Both sensors have been integrated into microfluidic devices in PDMS-glass technology, a technology perfectly suited to this type of research because of its biocompatibility, its simplicity of implementation and its great adaptability. One of the innovations of this project is to provide a biosensor combining responses to several bacterial strains specifically selected to increase the accuracy and reproducibility of the measurement. In our experiments, however, a single bacterial strain is used. A study of influencing factors was conducted to observe changes in bacterial behavior. With the experimental results, we have tried to explain these changes by a mathematical approach, using theoretical models of bacterial growth, in order to predict the value of BOD. Finally, a macro-fluidic prototype, based on a single bacterial strain, reusable and automatic was also developed to provide a simple fluidic architecture that could be duplicated for use with all strains included in the project.