Résumés
Résumé
Cet article présente l'ensemble des biocapteurs en cours d'étude et proposés pour le contrôle en continu, automatisé et in situ de la qualité des eaux. Le principe des systèmes, étudiés jusqu'ici majoritairement en laboratoire et sur pilote, sera donné avec leurs performances au plan sensibilité et spécificité de détection des polluants hydriques. Ces performances conditionnent leur domaine d'application : les systèmes très sensibles étant affectés au contrôle des eaux d'alimentation et des eaux souterraines, les moins sensibles au contrôle des effluents très contaminés.
Les biocapteurs peuvent se caractériser par deux de leurs composantes principales :
- le réactif biologique ou biocatalyseur, sensible au(x) polluant(s);
- le détecteur appelé transducteur, qui traduit la réponse biologique du biocatalyseur en un signal électrique. Le transducteur peut être de type optique, électrochimique, ampérométrique principalement, ou piézoélectrique.
Trois grands types de biocapteurs peuvent être distingués selon la nature du biocatalyseur :
- les bioréacteurs, basés sur l'étude des réponses comportementales des vertébrés (poissons) et d'autres organismes aquatiques (microcrustacés, bivalves):
- les biosondes cellulaires reposant sur l'étude des fonctions métaboliques telles que la respiration, la bioluminescence, la photosynthèse de microorganismes immobilisés (bactéries, microalgues, levures) ou libres (boues activées) dans le milieu analysé:
- les biocapteurs "d'affinité" basés sur l'utilisation d'enzymes ou d'anticorps, chargés de détecter respectivement les substrats et inhibiteurs enzymatiques spécifiques, ou les substances antigéniques vis à vis desquelles les anticorps ont été développés. Ces systèmes sont, par principe, les plus spécifiques mais aussi les plus sensibles. Ils ne couvrent, cependant, qu'une gamme encore très limitée de micropolluants hydriques.
Le degré d'autonomie d'un biocapteur, sa facilité d'utilisation et de maintenance et sa fiabilité, sont des éléments qui rentrent en ligne de compte dans les performances. Ces qualités devront être évaluées lors de la phase de validation in situ, essentielle et déterminante pour juger de l'intérêt du système en conditions de fonctionnement réel.
Mots-clés:
- Biocapteurs,
- contrôle des eaux,
- bioélectrodes,
- poissons,
- daphnies,
- bivalves,
- bactéries,
- microalgues,
- enzymes,
- anticorps
Abstract
Context
This paper reviews the use of biosensors for environmental biomonitoring and especially for the detection of water pollutants. These systems are developed in view of on-line applications, continuous and real time analysis. The principle and the design of the different systems proposed for this purpose are described with their performances deduced from pilot or in situ studies carried out up to now. Automation and autonomy, sensitivity and specificity are critical points that will determine the success of their applications in biomonitoring and the kind of application that can be envisaged. It is necessary they require minimal human intervention for maintenance and working . The more sensitive systems can be used for the monitoring of drinking and ground waters, the less sensitive ones for the monitoring of complex effluents, more heavily contaminated.
Biosensors can be distinguished on the basis of the type of biocatalyst associated with thetransducer: the biological signal delivered by the biocatalyst is transmitted to a detector, also called transducer. The transducer, which may be an optical, electrochemical or piezoelectrical detector, transforms the biological response into an electric signal. This signal can be easily amplified and interpreted in terms of the toxicity and level of pollution of the analyzed sample.
Three categories of biosensors can be defined:
- biosensors using aquatic vertebrates and invertebrates: fish, microcrustacea, bivalves. Their behavior in the tested medium is studied as the criterion for toxicity;
- cellular sensors, measuring physiological and biochemical functions such as respiration, bioluminescence, and photosynthesis, in microorganisms immobilized on the transducer (bacteria, yeast, microalgae,..) or suspended in the tested medium (activated sludge);
- biosensors measuring an "affinity" response and a specific binding between enzyme/substrate or antibody/antigen. These systems use enzymes or antibodies immobilized in close contact with the transducer; they may detect the (analogs of) enzymatic substrates and inhibitors, or the (analogs of) antigenic substances binding to the antibody. These systems appear promising on the basis of their sensitivity. At present they can be applied for the detection of triazines and phenols. Such systems need to be developed and extended to other pollutants in order to cover the wide range of aquatic contaminants.
User-friendliness, attendance and maintenance requirements, and service life are other critical aspects affecting the performances of a biosensor. These qualities need to be evaluated during the validation step of the equipment. In situ validation is essential for evaluating the relevance of the system in environmental biomonitoring and its applications. It is probable that among the numerous systems proposed as biosensors, only a few will be considered as suitable tools for on-line monitoring of waters.
Keywords:
- Biosensors,
- environmental biomonitoring,
- bioelectrodes,
- fish,
- daphnids,
- bivalves,
- bacteria,
- microalgae,
- enzymes,
- antibodies
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