Contribution de l'usage du biocapteur Fluotox à la détection de polluants phytotoxiques dans les ressources en eau potable

Les tendances écologiques qui se sont développées ces dernières décennies résultent de l'accélération des activités techniques et scientifiques de l'homme. Ces activités risquent de polluer le milieu de vie, mais fort heureusement ces mêmes développements techniques et scientifiques permettent de surveiller ces risques et d'en maîtriser les conséquences.

Le contexte

Compte tenu de leur importance majeure pour l'homme, les ressources en eau potable sont aujourd'hui l'objet de nombreux contrôles chimiques et biologiques effectués périodiquement. Dans l'esprit d'accroître la sécurité de leurs exploitations, les gestionnaires de ces ressources installent des capteurs qui surveillent en continu l'évolution des paramètres physico-chimiques de l'eau (pH, conductivité, oxygène dissous...).

Les tendances actuelles sont de compléter ces équipements par des biocapteurs qui peuvent détecter certaines pollutions toxiques. Un travail important a été réalisé sur ce sujet par le NANCIE (Nancy, Centre International de l'Eau) dans le cadre du programme Life'', qui a consisté à installer une station de contrôle sur la prise d'eau de la Moselle. Cette rivière constituant la principale ressource de la ville de Nancy, sa surveillance est importante. Dans cette station ont été installés, en plus des capteurs physico-chimiques habituels, différents biocapteurs qui mettent en œuvre des représentants variés du monde vivant aquatique : bactéries, micro-crustacés, mollusques, poissons et algues. Des simulations de pollutions

ont été réalisées pour déterminer la réaction de chacun de ces systèmes.

Le besoin de détection d'herbicide

Dans les régions de productions agricoles, les gestionnaires de la qualité des ressources d'eau cherchent à détecter la présence d'herbicides. En effet certaines de ces molécules, l'Atrazine et le Diuron par exemple, présentent des risques pour les consommateurs. C'est d'ailleurs pourquoi aujourd'hui l'usage de certaines molécules est partiellement ou totalement interdit. La molécule d'Atrazine est normalement rapidement décomposée lorsqu'elle arrive au contact du sol, mais si avant d'être décomposée elle a pénétré à quelques centimètres sous le niveau du sol, ses conditions de dégradations ne sont plus assurées et elle voit sa durée de vie augmenter très fortement. Dans les zones où l'Atrazine n'est plus appliquée depuis 10 ans, sa concentration en profondeur n'a diminué que de moitié sur cette période. De sorte qu'en fonction des aléas climatiques elle peut réapparaître de façon imprévisible dans les ressources en eau.

Coopération entre une P.M.E et l'Université

Pour répondre à ce besoin précis, la société Amatronic, bureau d'études en électronique industrielle, et le centre de recherche en automatique de l'université de Nancy ont décidé de coopérer pour créer un biocapteur de surveillance en continu de la présence d'herbicide dans l'eau. Les justifications du choix de l'organisme vivant et des techniques mises en œuvre sont développées ci-après.

Le choix de l'organisme cible

Pour détecter la présence de molécules phytotoxiques dans l'eau, il est naturel pour créer un biocapteur d'envisager l'utilisation de plantes et en particulier d'algues.

Parmi les tests normalisés de toxicité de l'eau, il existe un test de croissance d'algues (norme NF T903 75). Des algues unicellulaires telles que Chlorella vulgaris sont placées dans un milieu de culture normalisé et dans ce milieu le taux d'accroissement de la population sur une durée préétablie de 72 heures est parfaitement connu. Si on y introduit un volume connu de polluant, il est possible de quantifier de façon reproductible la variation d'accroissement de la population due à cette pollution.

Malheureusement, ce test est difficile à automatiser et il présente en plus l'inconvénient d'avoir un temps de réponse très long donc incompatible avec le besoin de contrôle en continu. Cependant, sous réserve d'imaginer un procédé de mesure efficace, le choix de l'algue comme « cible » pour le capteur va présenter les avantages suivants :

• L'organisme est adapté pour détecter des pollutions occasionnées par des activités agricoles.
• C'est un organisme primitif de faible taille puisqu'il s'agit d'algues unicellulaires dont les tailles varient de 3 à 10 µm. Les molécules polluantes vont donc avoir un bon contact avec les cellules vivantes, ce qui laisse espérer un temps de réponse très court de l'organisme face à l'agression, répondant ainsi à la demande de réactivité importante de la part des exploitants.
• Cet organisme constitue le premier maillon de la chaîne alimentaire, il est donc représentatif des réactions du vivant vis-à-vis des pollutions.
• D'une façon générale, les organismes vivants ont des réponses aux agressions externes qui, selon les experts, peuvent varier en fonction des individus dans un rapport de 1 à 100. Dans notre application nous avons mis en place une culture contrôlée qui réduit fortement ces écarts. De plus dans le capteur nous installons plusieurs millions d'individus, de sorte qu'à travers le moyennage statistique nous obtenons une excellente reproductibilité des réactions.

La photosynthèse est le processus biochimique initial de la vie, celui-ci consiste à fixer l'énergie solaire avec assimilation de CO₂ pour produire la biomasse. À titre indicatif, la photosynthèse sur la terre représente une énergie de 3 × 10¹⁸ kJ, ainsi 0,12 % des rayons solaires sont utilisés pour créer cette biomasse. Dans la norme AFNOR évoquée ci-dessus, c'est la création de cette biomasse qui est quantifiée en termes d'efficacité.

6CO₂ + 12H₂O + hv → C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂

Expérimentalement, on démontre qu'il est nécessaire d'avoir deux quanta lumineux pour enclencher le transport d'un électron à travers la chaîne photosynthétique. De cette analyse très succincte de la photosynthèse se déduisent trois procédés possibles pour en mesurer l'activité :

• le premier consiste à mesurer la biomasse produite (c'est le test de croissance d'algues),
• le second consiste à mesurer la quantité d'oxygène produite,
• le troisième consiste à évaluer le rendement photosynthétique par une mesure de fluorescence ; c'est ce dernier procédé qui est utilisé dans le système Fluotox.

Le biocapteur Fluotox

Lorsque l'on soumet les algues à des impulsions lumineuses, la lumière est convertie :

• en chaleur,
• en énergie chimique de transfert d'électrons,
• en fluorescence.

La fluorescence est la réémission de lumière à un niveau d'énergie plus faible que la lumière incidente. Si l'énergie hv est affaiblie, c'est que la longueur d'onde de la lumière réémise est plus grande. Dans la pratique, cette fluorescence a lieu dans le proche infrarouge. L'intensité de la fluorescence est mesurée par une cellule photoélectrique placée derrière un filtre optique qui élimine la longueur d'onde excitatrice.

Si nous provoquons une excitation périodique, nous aurons un signal de fluorescence modulé par la fréquence d'excitation. L'amplitude de ce signal quantifie l'énergie réémise. Lorsque les algues sont en présence de molécules inhibitrices de la photosynthèse, les échanges d'électrons sont bloqués à un certain niveau de la chaîne et par conséquent l'énergie réémise par les algues augmente.

Il est évident que les signaux ainsi récupérés ont des niveaux très faibles et qu'il est nécessaire de mettre en œuvre des techniques d'amélioration du rapport signal sur bruit. Dans la pratique, le signal issu de la photocellule est appliqué à une carte de traitement de signal qui réalise une détection synchrone et un moyennage du signal. Dans le Fluotox, cela apporte une amélioration du rapport signal sur bruit d'un facteur 5000 par rapport à celui d'une mesure unique. Le Fluotox élabore ainsi un

"signal de réponse" des algues toutes les minutes et en réalise l'historique.

Le système Fluotox

Le schéma ci-dessus résume la structure du système Fluotox dont les principaux éléments sont les suivants :

* une pompe péristaltique de prélèvement de l'eau à surveiller,

* un réservoir d'entrée qui est un tampon d'inertie interne complété par un capteur de présence d'eau dans le circuit,

* une pompe péristaltique à débit important dont le rôle est d'homogénéiser l'eau de circulation interne et d'éviter des dépôts de matière en suspension,

* un module de régulation de température à effet Peltier dont le rôle est essentiel pour exploiter la sensibilité de l'appareil aux pollutions ; en effet le rendement de photosynthèse, donc le phénomène de fluorescence, est légèrement influencé par la température de sorte qu'il est nécessaire que la régulation de température soit meilleure que le dixième de degré.

Les résultats de laboratoire

Les évolutions de la fluorescence

Les figures 1 à 5 présentent quelques courbes de réponse de la fluorescence.

La figure 1 représente la variation de la fluorescence en fonction de la concentration en Diuron et du temps, on note que la stabilité est atteinte d'autant plus vite que la concentration en Diuron est forte.

La figure 2 représente la variation de la fluorescence en fonction de la concentration en Diuron. La fluorescence considérée est celle de l'asymptote de stabilité (obtenue au bout de deux heures à une concentration de 1 ppb).

La figure 3 représente l'évolution de la fluorescence en fonction de la température en l'absence de pollution. Cette courbe passe par un minimum à 19 °C.

La variation de fluorescence entre 5 °C et 23 °C, comme entre 23 °C et 35 °C, est équivalente à une pollution de 1 µg de Diuron à 23 °C.

La figure 4 représente l'évolution de la fluorescence en fonction de la température en présence d'une forte concentration de Diuron. Cette courbe passe par un maximum à 25 °C.

La figure 5 représente la courbe d'évolution

de la fluorescence sur le long terme (échelle de 30 jours) en l'absence de pollution.

À la mise en service du système, c'est-à-dire au début des excitations lumineuses, il y a une rapide diminution de la fluorescence. C'est le temps d'adaptation des algues à leur milieu (quelques heures). Puis la courbe se stabilise avec une pente positive moyenne de 1 à 2 % en 10 heures qui correspond à la croissance des algues en place.

La mise en pratique du capteur dans le Fluotox

Des courbes précédentes se déduisent les points suivants :

• * Le choix de la température régulée sera si possible choisi dans la plage de 19 °C à 25 °C.
• * Le temps d'obtention de l'équilibre de la fluorescence est important (deux heures avec une concentration de Diuron de 1 ppb) et le niveau de la fluorescence varie et subit une variation importante au bout d'un mois de mise en service. Il n'est donc pas possible de placer un seuil sur un niveau de fluorescence, car ce qui intéresse l'exploitant est la détection de l'arrivée d'une pollution ; c'est donc la dérivée temporelle de la fluorescence qui est choisie comme critère d'alarme.

La pertinence de ce critère de détection d'alarme pollution a été vérifiée en site réel au niveau du captage de la ville de Metz, sous le contrôle de la SME (Société Mosellane des Eaux) qui est l'exploitant du site. La simulation d'arrivée d'un front de pollution est réalisée à partir d'un stockage auxiliaire de 10 litres d'eau brute dans lequel est introduite une dilution contrôlée de 2 µg/litre d'Atrazine. L'enregistrement de la figure 6 retrace l'historique des événements décrits en 4 courbes.

(I) représente l'impulsion de pollution :

• * à l'instant t₁, l'arrivée d'eau du Fluotox est commutée de l'eau brute à la réserve polluée à 2 µg/litre,
• * à l'instant t₃, l'arrivée d'eau du Fluotox est commutée de l'eau polluée à l'eau brute, la pollution a duré 1 h 30.

(II) représente la courbe d'évolution de la fluorescence. Durant l'agression, la fluorescence est passée de 1275 à 1300, soit une augmentation de 2 %. Cette courbe montre de plus que l'augmentation naturelle de la fluorescence est de 2 % en 10 h, et que cette courbe naturelle est « récupérée » 8 h 30 après l'arrêt de la pollution (c'est l'instant t₄). Ceci est le comportement systématique des algues. D'autres expériences ont montré que même après l'application d'une très forte pollution à 100 µg par litre d'Atrazine, la fluorescence retournait sur sa courbe d'augmentation naturelle environ 15 h après la disparition de l'agression. Ceci montre que les algues ne mémorisent pas cette agression ; elles subissent seulement une baisse momentanée de rendement de la photosynthèse par blocage des échanges d'électrons dû à la présence de molécules inhibitrices. Ce résultat a pour conséquence majeure qu'il n'y a pas utilité de remplacer la souche cible après une détection de pollution.

(III) Cette courbe représente l'évolution au cours du temps de la dérivée de la courbe de fluorescence. Cette courbe montre très clairement l'efficacité d'un seuil placé sur cette fonction, comme critère d'alarme de pollution. Dans le cas présent, un seuil réglé à la valeur 6 de cette dérivée produit une alarme au bout de 30 minutes. (D'autres tests ont montré que l'alarme serait donnée en 5 minutes pour une agression de 10 µg/l).

(IV) Cette courbe donne l'évolution de la température durant l'expérimentation. On note une oscillation (de ±0,2 °C) à l'instant de la commutation de l'entrée d'eau entre l'eau du stockage auxiliaire et l'eau brute ; cela correspond dans le cas présent à une différence entre leurs températures respectives de 1 °C. Il est à noter que la régulation est très efficace et qu'il n'y a pas d'incidence visible sur la continuité de la courbe de fluorescence.

Après avoir réalisé un certain nombre d'expérimentations de ce type, en partenariat avec l'exploitant, il a été décidé de doter le Fluotox des fonctionnalités suivantes afin d'en faire un appareil industriel :

• * Mémoriser en interne les mesures de température, de fluorescence et de dérivée de la fluorescence sur une durée d'un mois, ces données sont visualisables « au fil de l'eau » si un ordinateur PC est raccordé en permanence sur la liaison RS232 du Fluotox ; elles sont également récupé-

Références bibliographiques

[1] Brevet n° 97 470014.8 - Capteur biologique et procédé de surveillance de la qualité de l'eau.

[2] Rapport du NANCIE.

[3] Atlas de biologie - Collection La Pochothèque (livre de poche).

[4] J.-M. Ory, F. Jacques, Y. Boudey - A biosensor for water monitoring - IEEE Instrumentation and Measurement Conference, Brussels, 4-6 juin 1996.

[5] Le recours biologique pour la surveillance en continu de la qualité des eaux - Actes du colloque européen des 13 et 14 octobre 1994 à Nancy.

[6] J.-M. Ory, F. Jacques, J.-P. Flambeau - Biotoxte, capteur biologique de pollution de l'eau.

[6 bis] R. Saletat, R. Popovic - Développement d'un fluorimètre numérique... application à la toxicologie environnementale - Des capteurs pour l'environnement, ENSIEG, Grenoble, 30-31 mars 1995 (SEE Groupe Régional Dauphiné-Savoie, BP 36 8, 38321 Eybens Cedex).

[7] Site www.arnartronic.com.

[8] Le produit est distribué par AquaMS, site www.aquams.com.

...lors des entretiens périodiques mensuels.

• * Mettre à disposition trois sorties analogiques au format 4-20 mA qui recopient en continu les trois mesures de base, à savoir : fluorescence, dérivée de la fluorescence et température.
• * Trois contacts secs sont disponibles pour fournir des informations de défaut ou d'alarme : défaut fuite, défaut de fonctionnement, alarme pollution.

À la réception de ces informations, l’exploitant est à même d’établir une procédure d’actions propre à son établissement.

Validité des résultats

La grandeur caractéristique du Fluotox est la valeur de la dérivée temporelle de la fluorescence. C'est sur cette grandeur, exprimée en %/s, qu’est prévu un seuil de déclenchement d'alarme de pollution.

Il ne peut pas être question pour un biocapteur de fournir une information binaire telle que l'eau est bonne ou qu’elle contient des produits toxiques.

Le Fluotox, de par sa nature, est prévu pour détecter des traces de produits phytotoxiques dans une ressource en eau. L’important est que les mesures qu’il fournit aient un caractère reproductible.

Les essais conduits en la matière ont montré que la sensibilité en signal de dérivée temporelle de la fluorescence baissait d’environ 20 % au bout d’un mois d’installation de la cible alguale. Cela est dû au vieillissement des algues dont les membranes s’épaississent, ce qui limite les échanges osmotiques entre l’eau et les cellules proprement dites.

La périodicité d'un mois de changement des algues s’accorde bien avec la périodicité d’entretien des circuits hydrauliques dans lesquels circule une eau brute.

Pour qualifier la reproductibilité des mesures, il est impératif de travailler avec des conditions de « fraîcheur » des algues qui soient définies.

Les tests de reproductibilité des pollutions contrôlées sont réalisés avec des algues installées depuis moins d’une semaine.

Dans ces conditions on trouve, pour des fronts de pollutions à une concentration de 2 µg/litre d’Atrazine, une dérivée comprise entre 15 et 18 au bout d'une heure et demie, ce qui est assez remarquable pour une mesure réalisée sur un organisme vivant.

L'avis des exploitants

Depuis la fin de l'année 2002, la ville de Metz a équipé sa principale prise d’eau d’un Fluotox.

Ce biocapteur est intégré dans le schéma d'alerte de l'exploitant de l'usine de traitement située à une quinzaine de kilomètres de la prise d'eau.

Le responsable production de la Mosellane des Eaux, filiale de Veolia Environnement, délégataire de la ville de Metz, témoigne : « Une détection de pollution par le Fluotox nous permet d’anticiper les mesures correctives à prendre sur l'usine, comme un ajustement des taux de traitements ou décider de relayer la ressource par une autre, etc. À l’avenir, cette usine sera équipée d’un poste d’injection de charbon actif en poudre dont la mise en œuvre ou le renforcement du dosage pourra être asservi à une détection du Fluotox, concourant ainsi à un recours plus ciblé de ce réactif efficace mais néanmoins coûteux et générateur de boues en clarification ».

La surveillance de la qualité des ressources des usines d’eau potable n’est pas la seule utilisation du Fluotox ; il est aussi utilisé pour la surveillance du milieu naturel. En effet, au printemps 2003, l’APRONA a installé un Fluotox dans une station d’alerte sur le Rhin en amont du canal d’alimentation de la nappe phréatique d’Alsace. M. Olivier Dufayt, directeur de l’APRONA, précise : « La station d’alerte de Huningue est destinée à protéger la nappe de la plaine d’Alsace de toute pollution en provenance des eaux du Rhin, qui l’alimente via le canal de Huningue. Nous avons choisi d’installer un Fluotox dans cette station afin de détecter toute pollution à effet “herbicide”. En cas d'alerte, la fermeture de la porte de garde du canal de Huningue permet de stopper toute entrée d'eau polluée vers la nappe phréatique. Cet appareil nous donne actuellement entière satisfaction ».

Conclusion

Après avoir subi des tests de qualification en laboratoire, le Fluotox a été placé dans des conditions d’exploitation réelles.

Grâce à de nombreuses confrontations fructueuses avec nos partenaires il est arrivé à un stade industriel qui permet à l'exploitant de disposer d'une surveillance en continu de l’arrivée de pollutions de phytotoxiques avec une utilisation simple et un entretien réduit à deux heures par mois.