Comme nous l’avons vu dans le chapitre 1, il existe plusieurs méthodes et outils d’évaluation de laDBO5, indicateur principal de la qualité des eaux de rejetées des stations d’épuration. Pour la
mesurer, le suivi d’espèces chimiques contenues dans l’échantillon de test, telle que le dioxyde de carbone [Chiappini et al., 2010], peut être utilisé. Des équipes de recherches ont utilisé récemment, des médiateurs redox permettant de mettre en évidence un lien entre la quantité de médiateur réduite par les bactéries et la concentration en matières organiques dégradables. L’avantage de ce type de capteur
2.3. Capteurs pour l’évaluation de la DBO
tient au fait que la réaction de biodégradation n’est pas dépendante de l’oxygène [Pasco et al., 2000]. Néanmoins, la plupart de celles encore usitées à grande échelle, sont basées sur la mesure de l’oxygène dissous présent dans un échantillon. Elles peuvent être classées en deux catégories : les capteurs élec- trochimiques et les capteurs optiques. Pour les premiers, tels que les sondes de Clark, leur utilisation en DBO est limitée par leur consommation de l’oxygène présent ; elles nécessitent une maintenance régulière et un recalibrage fréquent du capteur [Yotter and Wilson, 2004, Park et al., 2005, Kim et al., 2008]. Les seconds, tels que les optodes, émettent un signal de fluorescence, en retour d’un signal lumineux d’excitation, proportionnel à la concentration en oxygène dissous, sans en consommer. Leur autre avantage réside dans leur robustesse, ce qui nécessite beaucoup moins d’entretien que les sondes électrochimiques.
Dans le cadre de cette thèse, non seulement pour les raisons évoquées ci-dessus, mais également pour orienter notre démarche vers un processus de simplicité de fabrication, d’intégration et d’utilisation des puces instrumentées, nous avons fait le choix d’utiliser des transducteurs optiques. Dans une première étape, ce seront les optodes ; puis, en continuité des résultats obtenus avec ces capteurs, nous introduirons une sorte de capteur distribué dans l’échantillon : la résazurine.
2.3.1 Un capteur d’oxygène dissous : l’optode
Une optode nécessite trois éléments pour fonctionner (Figure 2.2) : un produit chimique qui réagit à la substance à analyser, un polymère pour immobiliser le produit chimique et une instrumentation (fibre optique, une source de lumière, un détecteur, etc. . . ).
FIGURE2.2 – Système de mesure par optode. Il comporte une source lumineuse, un photodétecteur,
une fibre optique et le complexe chimique formant la couche sensible en contact avec l’échantillon [PyroScience, ]
à agir comme désactivateurs (quencher) dynamiques de fluorescence (Figure 2.3). Lorsque cette substance est excitée par un faisceau de lumière à une longueur d’onde donnée, celle-ci émet un signal de fluorescence en retour, décalé en longueur d’onde, dont l’intensité est inversement proportionnelle à la concentration de la substance à analyser. En absence de substance à analyser, la fluorescence est élevée (Figure 2.3 - 1). Par contre, lorsque la substance est en grande quantité, la molécule fluorescente, à l’état excité, transfère son énergie vers la substance par collision, la fluorescence est donc plus faible (Figure 2.3 - 2).
FIGURE2.3 – Schéma expliquant le fonctionnement d’une optode reposant sur le principe du quen- ching. Emission de fluorescence en absence d’oxygène (1), le transfert de l’énergie de la molécule excitée vers la molécule d’oxygène par collision empêche l’émission de fluorescence (2).
Le matériel chimique utilisé dans les optodes est généralement un complexe organométallique, tels que les complexes de ruthénium(II) [Li et al., 1993, Hartmann et al., 1995, Mills and Thomas, 1997, Ji et al., 2010], les complexes de platine(II) [Papkovsky et al., 1992, Lee et al., 1993, Kolle et al., 1997, Mills and Lepre, 1997], les complexes d’or(I) [Mills et al., 1997], les complexes d’aluminium(III) [Costa-Fernandez et al., 1998], etc. . .
Chaque complexe possède sa propre sensibilité en longueur d’onde, ainsi on peut trouver des optodes sensibles dans le bleu et d’autres dans le rouge, par exemple. Le plus largement utilisé est le complexe de ruthénium(II), car il a une longue durée de vie de luminescence, des temps de réponse rapides, une forte absorption dans le visible, un grand décalage de Stokes (décalage en longueur d’onde) et une grande stabilité photochimique. Il existe de nombreux lecteurs, fournis avec les optodes, permettant de les intégrer dans une chaine de mesure. Elles devraient permettre de mesurer jusqu’à 40 mg d’O2/l [Hartmann et al., 1995].
L’optode est donc un bon moyen pour évaluer l’oxygène dissous dans une proportion de 0 à 100 % de sa concentration dans une solution, car il n’en consomme pas lors des mesures.
2.3. Capteurs pour l’évaluation de la DBO
De plus, il est très simple de l’intégrer dans un système instrumental et ne nécessite, par ailleurs, pas d’entretien particulier.
2.3.2 Un capteur réparti : la résazurine
La résazurine (C12H7NO4) est une molécule jouant le rôle d’un médiateur d’oxydo-réduction so-
luble dans l’eau et non fluorescent. Tout comme l’oxygène, elle peut être utilisée comme accepteur d’électrons dans la réaction de biodégradation d’un composé organique présent dans l’échantillon ensemencé de bactéries. Sa présence permet d’estimer l’activité des bactéries à travers sa réduction en un sous-composé rose et fluorescent (Figure 2.4) : la résorufine (C12H7NO3).
FIGURE2.4 – Schéma illustrant la réduction de la résazurine en résorufine par la réaction de biodégra-
dation par les bactéries.
L’intensité de fluorescence émise par la résorufine, lorsqu’elle est soumise à une lumière verte, est donc directement proportionnelle à la de résazurine réduite par les bactéries et donc à la quantité de matière organique qu’elles ont dégradées [Dudal et al., 2006, Tizzard et al., 2006].
D’après certains auteurs [Dudal et al., 2006, Tizzard et al., 2006, Rocher et al., 2011], cette méthode permet de réduire considérablement le temps de mesure de la DBO5(maximum 15 h contre 5 jours).
De plus, la gamme de mesure en DBO atteignable par cette méthode est plus importante, 300 mg O2/l
avec le kit Enverdi proposé par la société Envolure [Envolure, 2006].
L’utilisation de ce médiateur, parait donc être une bonne alternative pour la mesure de la DBO. D’une part, car il est soluble dans l’eau, donc il admet une intégration extrêmement simple dans un système, et d’autre part, car il offre de très bonnes performances, en termes de temps d’analyse et gamme de mesure.