Détection des polluants chimiques : pensez biocapteurs

Jusqu’à présent, poissons, mollusques, crustacés, larves d’insectes, algues, … surveillent de façon globale l'arrivée de polluants. Prenons l'exemple des truites. Elles sont utilisées depuis longtemps pour surveiller la qualité de l'eau brute en entrée d'usine. Le suivi de leur comportement et de leur vivacité permet de détecter très rapidement tout désordre dans la qualité de l'eau, à condition d'être présent. Mais faute de surveillance continue, la pollution était parfois décelée trop tard puisqu’on s’apercevait souvent du problème après la mort des poissons. Il a donc fallu développer un système de suivi automatique de la réaction des poissons pour rendre le “capteur” autonome et lui permettre de déclencher l’alerte. C’est maintenant chose faite depuis quelques années.

Puis des techniques plus ciblées ont été mises au point pour détecter la présence d'un certain type de substances. Aujourd'hui, les biocapteurs se font encore plus sélectifs en empruntant leurs principes au dosage biologique.

Poussé par le renforcement constant de la

Réglementation, le monde des biocapteurs est en pleine effervescence. Si la détection d’un large spectre de polluants demeure essentielle, une détection plus ciblée de certains polluants devient indispensable pour pouvoir corriger des problèmes éventuels. Cette détection ponctuelle ne pourra se faire sans l'apport des techniques de dosage biologique. Ce besoin devrait entraîner de nombreuses innovations dans les prochaines années. Avec comme tendance, une sélection de plus en plus pointue des polluants recherchés.

En attendant, en l'état actuel de leur développement, les biodétecteurs sont aujourd’hui capables de démontrer la présence de diverses substances très difficiles à déceler par des techniques de terrain. C’est le cas des pesticides, des herbicides et d’autres polluants chimiques. Ces biodétecteurs complètent les contrôles chimiques classiques en démasquant un large spectre de polluants.

Détecter un grand spectre de polluants

Les biocapteurs à base d’animaux sont basés sur le principe selon lequel certains êtres vivants subissent une altération de leur comportement en présence d'un ou de plusieurs polluants. Utilisés comme cellule sensible, poissons et crustacés détectent de façon continue et systématique toute anomalie du milieu dans lequel ils baignent. Lorsqu’un problème apparaît, ils changent de comportement, ce qui déclenche une alerte. « Au niveau de la détection, l’espèce la plus sensible est le poisson », explique Daniel Vasseur, directeur d’AquaMS.

Voici quelques années, Cifec a développé un détecteur biologique de pollution à effet Doppler, le Truitel TruitoSEM. Cet équipement, dont le principe est basé sur le comportement des poissons, a évolué en 2004 suite à des travaux menés en partenariat avec Eaux de Marseille. Ces travaux ont porté sur l’amélioration de la détection. Ils ont donné naissance à un système de contrôle de la qualité de l'eau en ligne. Comment fonctionne le système ? L’eau à surveiller traverse en continu un bac en verre dans lequel sont placés une quinzaine de truitelles ou de vairons. Deux sondes sont immergées. L’une, la sonde émettrice, envoie un faisceau d’ondes ultrasonores à une fréquence de 5 MHz. L’autre, la sonde réceptrice, reçoit un signal modulé en fonction de l'activité des poissons. Le signal recueilli par la sonde de réception est ensuite traité par l’électronique de l'appareil, de façon à analyser automatiquement le comportement des poissons. L’écart entre deux échos successifs génère un signal proportionnel à la quantité de mouvements dans l’aquarium. Deux échos identiques sont la preuve d’une absence de mouvement, ce qui n’est pas bon signe. Le réglage d’un seuil minimum d’activité assorti d'une temporisation elle aussi réglable a permis d’améliorer et de fiabiliser le déclenchement des alertes. Aujourd’hui, 95 % des Truitosem-Truitel sont installés pour surveiller l'eau potable et 5 % les eaux résiduaires.

Plus récemment, AquaMS s'est lancé sur la détection large spectre avec le Gymnotox. Ce détecteur biologique de pollution des eaux a été mis au point voici quelques années par les sociétés AquaMS, ER Ingénie…

Les chercheurs du laboratoire de biologie appliquée de l'Université Henri Poincaré de Nancy.

Ce biodétecteur exploite les signaux électriques émis par des Apteronotus albifrons, des poissons de l’ordre des Gymnotiformes originaires de l'Amérique du Sud. Contrairement au TruitoSEM dont la détection est basée sur le comportement des poissons, le détecteur du Gymnotox se base sur une réaction biologique du poisson qui est très sensible aux changements physico-chimiques du milieu dans lequel il évolue. Cette sensibilité se traduit par une modification de la fréquence des décharges électriques du poisson. Ces perturbations sont un reflet fidèle du métabolisme et un témoin des variations de qualité du milieu. Pour détecter la pollution, il s’agit donc d’identifier toute anomalie dans sa régularité coutumière. C'est ce que fait le Gymnotox. Pour plus de fiabilité, il intègre un double circuit de surveillance et assure une mesure toutes les dix secondes sur un signal acquis en continu. Une confrontation des deux signaux assure une sûreté de détection.

La mesure est réalisée sur une eau de surface dégrillée non filtrée, une eau de forage ou encore une eau de distribution. La méthode est sensible et rapide. En moins de 10 minutes, l'appareil est capable de détecter des seuils très bas de nombreux polluants (cyanure, phénol, trichloréthylène, gazole...). Grâce au poisson électrique, l'appareil s'affiche comme trois fois plus sensible que les truites Oncorhynchus mykiss, un organisme de référence en toxicologie classé parmi les espèces les plus sensibles à la pollution et 70 fois plus sensible que les bactéries luminescentes Photobacterium phosphoreum.

Très rapides, ces systèmes n’en demeurent pas moins sensibles à un très large spectre de polluants. On les utilise surtout pour la surveillance de l'eau potable dans le cadre du plan Vigipirate par exemple. Pour mieux cibler leur détection, notamment sur les polluants phytotoxiques et optimiser ainsi le traitement de l'eau, les scientifiques ont développé d’autres techniques plus sélectives.

Rendre la biodétection plus sélective

L'un des gros problèmes du moment dans le domaine du traitement de l'eau potable est la présence de molécules de pesticides et d'herbicides dans l'eau brute, en entrée d’usine. Pour respecter la norme de potabilité, les traiteurs d'eau ont dû mettre en place une étape de traitement par charbon actif dont l'usage se révèle très coûteux en période de pollution. Pour maîtriser les coûts d’exploitation, une solution consiste à détecter la phase de pollution pour bloquer l'eau, l'usine s’approvisionnant alors sur ses réserves. Une telle approche nécessite de surveiller en continu la présence de polluants d'origine agricole dans les eaux. Il faut pour cela disposer de systèmes de détection plus ciblés, capables de repérer toute concentration anormale de produits phytosanitaires. Tel est l'objet du développement du Fluotox, un biodétecteur développé par le centre de recherche en automatique de l'université de Nancy, en partenariat industriel avec trois entreprises lorraines : Arnatronic, Aspect Service Environnement et AquaMS.

Ce biocapteur, aujourd’hui commercialisé par AquaMS, surveille en continu la présence d’herbicides dans l'eau par la mesure

du rendement photosynthétique. Ce sont des algues unicellulaires chlorophylliennes de type Scenedesmus subspicatus qui assurent la détection des molécules toxiques. Pour ce type d’algues, le rendement photosynthétique est fonction du type de micropolluants et de sa concentration dans l'eau.

La partie sensible supportant les algues est immergée dans le courant d’eau à contrôler. Elle est excitée par une lumière bleue modulée à 500 Hz. Dans ces conditions, les algues émettent un signal de fluorescence qui est recueilli par un photodétecteur associé à un filtre infrarouge. Il est ensuite traité par l’électronique du capteur. Pour s’affranchir de la disparité du temps de réponse des organismes vivants (il peut varier de 1 à 100), l’utilisation d’algues obtenues sous culture contrôlée a été privilégiée. Pour réduire encore plus les écarts, le traitement statistique des réactions obtenues sur plusieurs millions d'individus contenus dans la cellule sensible est réalisé. Ceci permet d’obtenir un signal moyenné représentatif de la pollution. Aujourd’hui, le capteur est capable de mesurer des concentrations de polluants de l’ordre du microgramme. En cas de dépassement d’un seuil défini par l'utilisateur, une alarme est déclenchée et un échantillon prélevé par le préleveur d’échantillon intégré au système. Les données, dont la période d’acquisition est réglable de une à cinq minutes, sont disponibles en temps réel sur trois sorties 4-20 mA et donnent la valeur de la fluorescence, sa dérivée et la température de l'eau. Une liaison série RS 232 permet le chargement des données et le paramétrage de l'appareil en local via PC. Une sauvegarde locale stocke jusqu’à quinze jours de données. Un descriptif détaillé de ce capteur a été réalisé dans un article publié dans le numéro 275, pages 37 à 41 de L'Eau, l’Industrie, les Nuisances.

Ce détecteur est utilisé depuis 2002 pour surveiller la principale prise d’eau de la ville de Metz. Le biocapteur est intégré à la station d’alerte et permet de prévenir l'exploitant du site en cas de problème. Cette alerte permet la mise en œuvre de traitements complémentaires. Elle peut aussi permettre de relayer la ressource par une autre pour assurer l’approvisionnement en eau en cas de problème. Un autre capteur Fluotox a également été mis en œuvre dans la nouvelle station de Huningue qui prend en charge le contrôle de la qualité de l'eau prélevée dans le Rhin pour recharger la nappe d’Alsace. À notre connaissance, le Fluotox est aujourd’hui l’un des rares détecteurs continus capables de mesurer en ligne des pollutions agricoles de type phytosanitaire à des concentrations aussi basses. Il est capable d’optimiser les procédés de traitement et, pour Daniel Vasseur, « son investissement est amorti en moins d'un an par la simple économie de charbon actif ». AquaMS poursuit son développement dans le domaine des biocapteurs ; la société élargit sa gamme et propose maintenant un biocapteur à large spectre de polluants, qui s'avère particulièrement efficace pour détecter des traces de métaux lourds dans l'eau, le Mosselmonitor. Ce biocapteur exploite les mouvements valvaires des moules.

Le microMAC-ToxScreen, commercialisé en

France par Anhydre, est un analyseur automatique en ligne pour la surveillance de qualité des eaux. Il utilise des bactéries luminescentes pour détecter des concentrations en ppb de polluants chimiques organiques et inorganiques dans les eaux de surface, souterraines, traitées et brutes, pour toute application de réutilisation d’eau traitée, de nécessité de surveillance d’effluents aqueux. Il utilise une suspension renouvelable de bactéries dont la luminescence est un sous-produit de la respiration. Lorsque ces bactéries se trouvent automatiquement mélangées avec l’échantillon d'eau, leur production lumineuse, qui est directement liée à leur métabolisme cellulaire critique, décroît en proportion à la toxicité (concentration chimique) présente dans l’échantillon. La partie analytique de l’instrument utilise la technologie LFA brevetée par Systea (Loop Flow Analysis) qui est largement utilisée dans de nombreux analyseurs mono et multiparamètres de surveillance des eaux. MicroMAC-ToxScreen utilise des bactéries lumineuses sèches - congelées et un jeu de solutions tampons pour exécuter les analyses automatiques. L’analyseur produit des alertes en présence de concentrations sous les ppb d’un large spectre de polluants toxiques comprenant les pesticides, les herbicides, les contaminants à base de pétrole, les inhibiteurs synthétiques de protéines, les inhibiteurs de respiration. Le test biologique s'est révélé bien plus sensible que les classiques tests de bioluminescence.

Après le rachat de l'allemand STIP début 2005, Endress+Hauser devrait commercialiser dès le 1er trimestre 2006 un biocapteur pour la mesure de DBO en continu. En deux minutes, cet analyseur mesure la quantité d'oxygène consommée par les bactéries. Cet appareil est adapté pour surveiller la toxicité en entrée de STEP par exemple. Là, en cas de problème, il aiguille l'effluent toxique vers un bassin tampon, ce qui permet de ne pas perdre la biomasse par intoxication.

Ces équipements, nettement plus sélectifs, sont capables de détecter en continu la présence de certains polluants à des concentrations assez basses. Mais pour garantir les nouvelles normes de potabilité de l’eau et garantir des seuils inférieurs à 0,1 µg/l, c’est une autre affaire ! Et aujourd’hui personne ne sait répondre à ce besoin par des méthodes de surveillance continue. Pour y parvenir, de nombreuses recherches sont en cours. Et la solution pourrait bien venir des techniques de dosage biologique des anticorps ou des protéines.

Descendre les seuils de détection

Voici deux ans, le canadien Lab Bell présentait à Pollutec le Luminotox aujourd'hui commercialisé en France par Fondis Electronic. Ce biocapteur portatif à fluorescence évalue en dix minutes à une heure selon le type d'eau, la concentration et l’indice de toxicité des effluents agricoles, industriels et municipaux. Il faut pour cela prélever un échantillon d'eau de 2 ml et y ajouter 100 µl de complexe enzymatique stabilisé. Après avoir agité et laissé incuber 10 minutes à 20 °C, le contenu du tube est versé dans la cuvette de lecture puis dans l’appareil où est lu l’échantillon. Les seuils de détection de l’atrazine, de la cyanazine et du durion peuvent être détectés respectivement à 0,002 mg/l, 0,001 mg/l et 0,002 mg/l. « Cette technique est plus réactive, mais elle a un large spectre de détection » affirme Tristan Ruysschaert, gérant de Protein Biosensor, une toute jeune entreprise primée par le Ministère de la Recherche dans le cadre du concours d'aide à la création d’entreprises de technologies innovantes, catégorie “en émergence”. Pour ce jeune chef d'entreprise, l'avenir est aux méthodes de dosage biologique par des protéines. Ces techniques sont ultra-sensibles et très spécifiques, puisque l’on dose à partir d’enzymes une famille de molécules chimiques.

Controlife avait présenté au dernier salon Pollutec une méthode rapide dosant globalement ou spécifiquement les pesticides par bioluminescence. Il faut ainsi compter 30 à 60 minutes pour le dosage spécifique et quantitatif au niveau moléculaire des pesticides et perturbateurs endocriniens.

Depuis cette première présentation, l'offre de Controlife Technologies, spécialisée dans le développement des procédés de diagnostic en temps réel issus de nouvelles technologies dont la biophotonique et plus particulièrement la BioChimiLuminescence (BCL), a beaucoup progressé. Dominique Champiat, qui dirige le laboratoire R&D de Controlife Technologies à Montpellier, est un spécialiste reconnu en matière de biologie des Eaux et de BCL avec plus de 30 années de recherche et d'expérience. Il explique : « Nous disposons aujourd'hui de

deux types de réactifs : les premiers nous permettent de détecter une contamination globale : biologique et/ou chimique. Dans ce cas, la révélation est quasi instantanée, de l'ordre de la minute. Les deuxièmes nous permettent de faire de la quantification spécifique par le biais des outils immunologiques ou de la biologie moléculaire, voire des gènes reporters... Dans ce cas, la quantification sera de l'ordre de l'heure, dans le pire des cas. Quand nous parlons de détection et quantification spécifique, il s’agit par exemple des Triazines 2-4D, et autre Procymidone... Nous pouvons également détecter les mycotoxines spécifiquement avec une grande sensibilité (Aflatoxine, Ochratoxine...). La chimiluminescence nous permet également de détecter grand nombre d’activité enzymatique comme l'acétylcholinestérase qui, par la perturbation de son activité, met en évidence les familles de pesticides neurotoxiques comme les organophosphates et les carbamates. Nous avons démontré que la BCL en général permet d'amplifier les tests fluorimétriques d'un facteur 10 à 100 et les tests colorimétriques d'un facteur 100 à 1 000.

Nous disposons également d'un réactif qui permet de quantifier spécifiquement, en moins d'une heure, de 1 à 10 cellules vivantes (Naegleria fowleri, Legionella pneumophila groupe 1, E. coli...) ce que ne permet pas la PCR.

Controlife Technologies dispose aussi d'un réactif permettant d'obtenir l'équivalent DCO avec 99 % de corrélation en cinq secondes. Un autre réactif permet d'avoir la signature d’un produit (une eau minérale, l'eau du réseau ou de l'eau utilisée dans un process... par exemple). Si un composé inhabituel est présent, même à l'état de trace (du benzène...), la « signature » va changer. Et tout ceci s'effectue en moins de 5 minutes...

De son côté, Tristan Ruysschaert avec son entreprise Protein Biosensor créée en juin 2005 achève la mise au point d'un biocapteur élaboré à partir d'une super enzyme mise au point par le Professeur Didier Fournier de l’Institut de Pharmacologie et de Biologie Structurale de Toulouse (CNRS/université Toulouse III). Cette enzyme, un mutant d'acétylcholinestérase présente chez les insectes, est la cible naturelle des pesticides. La souche mise au point est aujourd'hui produite en laboratoire par voie artificielle. Elle se révèle excessivement sensible et très stable. « Pour certaines molécules, elle est jusqu’à 300 000 fois plus sensible que l’enzyme traditionnellement extraite d’anguille électrique » affirme Tristan Ruysschaert. Ces atouts ont permis de l'inclure dans deux tests de détection de pesticides neurotoxiques de type organophosphate et carbamate, l'un sous forme de stick et l'autre sous forme liquide. Ces deux tests sont basés sur le même principe, la colorimétrie. Pour l'instant le dosage se fait sur des échantillons prélevés, mais cette méthode simple et rapide peut être facilement automatisée pour faire du dosage ponctuel répété. Actuellement, la méthode est en cours de validation aux États-Unis. Protein Biosensor s'est également rapproché du BRGM, très impliqué dans le programme européen Swift, dont il dirige le groupe de travail en charge de l'inter-comparaison des mesures sur site.

Démarré début 2004, ce programme vise à tester et valider les équipements et les méthodes d’analyse des substances chimiques dans l'eau sur site et in situ.