voire même provoquer une forte mortalité de la population bactérienne. De ce fait, le test de DBO indiquera, alors, une absence de consommation de l’oxygène dissous malgré la présence potentielle de matières biodégradable. Par conséquent le développement des futurs biocapteurs devrait intégrer un capteur de toxicité.
1.4 La microtechnologie au service de l’environnement ; le projet Bioguard au cœur de la problématique
Depuis le développement grandissant de la microélectronique sur semi-conducteurs dans les années 60, les chercheurs se sont naturellement tournés vers l’élaboration de systèmes, miniatures, plus complexes, afin de répondre à la fois à un besoin de précision et de rapidité de mesure. C’est alors dans les années 80 que les premiers microdispositifs sont apparus : les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Leurs représentants les plus connus et utilisés se retrouvent dans nos ordinateurs sous la forme de têtes de lecture des disques durs, et dans nos imprimantes sous forme de têtes d’impression. Au cours des années 90, des recherches visant à appliquer les MEMS à la biologie, la chimie et le biomé-dical ont été menées. La manipulation des fluides aux petites échelles s’est très rapidement montrée indissociable de ces systèmes. Cela a permis la naissance et le développement de la microfluidique. Ce développement va être encore accéléré par l’émergence au début des années 2000, des technologies de moulage des canaux dans des polymères comme le PDMS (PolyDiMéthylSiloxane). Ces technologies permettent la réalisation rapide de dispositifs à faible coût. Nous assistons, depuis, au développement de nombreuses fonctions intégrées directement sur puces, telles que des pompes, des vannes, des mélangeurs formant des microsystèmes et assurant des fonctions liées à un domaine d’activité ou d’application.
La réalisation et le développement de l’ensemble de ces fonctions a permis l’émergence du concept "laboratoire sur puce" ou LOC. Le concept est de regrouper un ensemble de fonctions microfluidiques sur un même dispositif permettant la réalisation d’analyses biologiques (détection de virus, cellules tumorales...), environnementales (détection de polluants, charge carbonée de l’eau) et chimiques (détection d’espèces spécifiques). Le développement des laboratoires sur puce s’est fait dans l’optique de faciliter les analyses des espèces d’intérêts, en complétant ou remplaçant les techniques standards. Ces dernières nécessitent généralement des temps de préparation importants, de lourds équipements, des volumes d’échantillons considérables mais surtout des temps d’analyse non négligeables. Ces délais, entre le prélèvement et les résultats, peuvent s’avérer particulièrement critiques pour certaines analyses, telles que, la détection de certaines pathologies ou d’une pollution chimique dans les eaux rejetées dans l’environnement. L’objectif premier des laboratoires sur puce a donc été de développer des systèmes de détection permettant d’obtenir rapidement les résultats, en se basant sur les techno-logies de la microfluidique. Cette miniaturisation a permis de concevoir des systèmes pouvant être amenés sur le terrain et pouvant répondre aux mêmes besoins que les équipements classiques plus
imposants, tout en utilisant des volumes d’échantillons et de réactifs plus petits.
En effet, comme nous l’avons vu précédemment, l’utilisation d’un consortium bactérien défini est nécessaire pour évaluer avec précision et reproductibilité la qualité de l’eau. De ce fait, l’utilisation des systèmes traditionnels ne peut se faire car cela nécessiterait de dupliquer le système pour chaque souche bactérienne, cela augmenterait alors grandement l’impact au sol pour cette analyse. De plus, la miniaturisation d’un système complet de mesure de la qualité de l’eau permettrait d’effectuer une analyse sur site. En plus de cela, l’intégration de l’ensemble des souches dans un seul et même système permet de maitriser parfaitement les conditions expérimentales appliquées aux différentes souches, et ainsi réduire les erreurs apportées au résultat. Nous pouvons voir un autre intérêt à cette miniaturisation en la réduction de la variabilité des résultats due à la préparation des échantillons par la main de l’Homme. L’intégration de fonction automatique telles que des pompes, des vannes, des switchs, etc. . . , permettrait de réduire à la fois l’imprécision et la durée de la manipulation.
C’est dans cet esprit que le projet ANR Ecotech Bioguard (2011-2014) a vu le jour. Ses concepteurs ont voulu développer un système qui puisse répondre aux normes environnementales actuelles et aux besoins des gestionnaires des stations d’épuration, sans pour autant augmenter la surface au sol nécessaire à cet équipement. Le développement d’un microsystème complet s’avère donc nécessaire. Il permettrait de lier la microtechnologie et la biologie dans un but commun : la protection de la faune et la flore par le suivi de la qualité de l’eau et la prévention rapide de tout risque de pollution.
2 Conception du capteur
Nous avons vu, dans le chapitre 1, l’intérêt de disposer d’une mesure DBO pour le contrôle des eaux usées, notamment dans les stations d’épuration. Parmi les solutions recensées dans la littérature, nous avons retenu une solution basée sur les variations de comportements d’une culture bactérienne en fonction de ses conditions d’environnement. A partir de ces données, nous devons construire un projet complet qui réponde aux exigences de la mesure de DBO.
Ce chapitre est donc consacré à la conception du projet ANR Bioguard (2011-2014). Nous en rappelle-rons d’abord le cahier des charges et définirappelle-rons une architecture système qui lui correspond. Nous traiterons ensuite des capteurs que nous utiliserons pour évaluer la DBO. Nous exposerons ensuite l’architecture fluidique d’un système dit « macro » et d’un autre système dit « micro ». Nous étudierons la façon dont les capteurs s’intègrent dans ces systèmes. Finalement, nous expliquerons la gestion de l’environnement de mesure et des lecteurs utilisés pour enregistrer l’information issue des capteurs.
2.1 Cahier des charges du projet
L’instrumentation Bioguard doit être un système complet de mesure de la DBO. Elle doit permettre d’assurer, à partir de mesures, in situ ou en laboratoire, le suivi de l’état des eaux usées issues d’une installation biotechnologique ou de stations d’épuration. A plus long terme, elle devrait répondre à des besoins sur site isolé. Cela suppose une miniaturisation profonde des instruments de détection conçus en vue d’une portabilité et d’une autonomie poussée, tant en terme de communication que d’énergie. Ces exigences impliquent donc que l’on engage un travail d’intégration microsystème, non seulement pour démultiplier les cellules de mesure sur un même support mais également pour espérer réduire les temps d’analyse et de calcul de la DBO de l’échantillon en test.
Ainsi, sachant que le temps de mesure de cinq jours fixé par la norme est trop long pour un suivi en temps réel de la qualité de l’eau, le système Bioguard devra proposer une méthode alternative à la méthode standard. Il proposera ainsi une DBOT avec un facteur tempsTle plus court possible, de
l’ordre de quelques heures.
D’un autre côté, le système doit également être capable de mesurer une pollution organique d’au moins 35 mg DBO/l (limite fixée par la norme), la limite haute n’étant pas fixée au démarrage du projet, ce sont les expériences et les technologies employées qui fixeront cette limite.
Pour avoir une estimation simultanée des principales composantes chimiques présentes dans le prélèvement, le système Bioguard devra permettre de traiter les réponses tirées d’un panel bactérien de 15 souches soigneusement sélectionnées (voir chapitre 1). La DBO sera déterminée par un panel de 10 souches spécialisées, ceci afin qu’il y est au moins une souche capable de dégrader les composés présents généralement dans les eaux de rejets des stations d’épuration. La toxicité de l’eau sera évaluée par un panel de 5 souches bactériennes naturellement bioluminescentes.
Conceptuellement, le biocapteur Bioguard est intimement associé à l’idée d’une carte amovible et adaptable, contenant, dans les microsystèmes envisagés, les microorganismes lyophilisés. Elle permettra d’effectuer dix mesures de la qualité de l’eau (DBO et toxicité), et sera sacrifiée lorsqu’elle aura été entièrement utilisée. L’association de différentes souches bactériennes à l’intérieur de la carte consommable impose une étanchéité parfaite inter-puits pour éviter tous risques de contaminations croisées.
Le système complet, associant le lecteur et la carte, sera installé en sortie de stations d’épuration, de systèmes d’assainissement non collectifs ou encore sur les réseaux d’eaux pluviales. Ces effluents sont, généralement, chargés de nombreuses matières, dissoutes ou en suspension, et parfois de grosses particules. Il n’est donc pas envisageable de prendre l’effluent tel quel et de l’injecter dans le microsystème, un filtre à particules de 20µmsera placé en amont du système.
Finalement, le système doit permettre une estimation de la DBO avec une plus-value par rapport au test standard en termes de précision, de sensibilité et de rapidité d’exécution. Afin de percer dans le marché, il se doit d’être compétitif sur le prix de l’équipement en comparaison avec un automate actuel de DBO dont le coût moyen est proche de 15 k€.