Biocapteurs pour le contrôle de la toxicité des eaux : application des bioélectrodes algales

L'amélioration de la qualité de l'environnement passe par la réalisation de contrôles de toxicité in situ et en continu des sources de pollution ou des milieux contaminés, à l'aide de systèmes automatisés à réponse rapide. Les systèmes donnant une réponse en temps réel permettent d'intervenir immédiatement à la source, d'interrompre le rejet d'un flux toxique et de prévenir ainsi les accidents de pollution. Ce type de stratégie ne peut être développé qu'au moyen de biocapteurs : les méthodes d'essais conventionnelles n'autorisent que des contrôles de toxicité épisodiques, en laboratoire, effectués dans des conditions statiques quelque peu éloignées des conditions dynamiques.Nous nous sommes intéressés à la mesure de l'activité photosynthétique d'algues unicellulaires immobilisées. La photosynthèse induite par des stimuli lumineux est en effet un processus dont la réponse est immédiate et aisément mesurable à l'aide de transducteurs électrochimiques. Il apparaît donc intéressant d'utiliser ces réactions photosynthétiques pour la détection des polluants.Deux dispositifs mesurant l'activité photosynthétique d'algues unicellulaires ont été testés. Le premier dispositif mesure le transfert d'électrons le long de la chaîne photosynthétique lors d'une illumination des micro-organismes. Le second système permet de quantifier la production d'oxygène résultant de cette excitation lumineuse.La mesure du transfert d'électrons photosynthétiques nécessite l'addition d'une substance oxydo-réductible (médiateur) dans le milieu pour capter ces électrons. De la série de médiateurs testés, seuls les dérivés à caractère lipophile (2,6-diméthylbenzoquinone et p-benzoquinone) ont permis de mesurer un transfert d'électrons. Toutefois la durée de vie de ce biocapteur s'est révélée limitée à moins de 24 heures, ce qui exclut toute utilisation en continu.Le second dispositif développé présente en revanche une longévité d'une semaine, ce qui le rend intéressant en vue d'une utilisation in situ. Les performances de ce capteur à oxygène ont été testées sur des produits de type herbicides, cyanures, métaux et comparées aux valeurs obtenues à l'aide de tests algues classiques ou de méthodes de détection rapide de la toxicité.Environmental monitoring of pollutants with automatic systems, applied on-line and allowing rapid response constitutes one of the most successful ways to improve the quality of the environment. Real time analysis offers the advantage of detecting rapidly sources of pollution and preventing any accidental release of pollutants. Such a strategy is possible only by means of biosensors : current methods, commonly used far toxicity testing are usually carried out in Laboratory in static conditions, making real lime analysis impractical.Two types of amperometric environmental sensor incorporating eukaryotic algae were investigated for use in monitoring industrial pollution of aquatic systems. Both sensors allowed the monitoring of photosynthetic events.The first sensor follows photosynthetic electron chain events within the cell resulting in the reduction of mediator acting as terminal electron accepter. Reoxidation of the mediator at the biosensor electrode surface rues in a flow of current, the magnitude of which is proportional to the level of photosynthetic activity of the microalgae.In the second approach photosynthetic oxygen evolution by the illuminated biocatalyst is measured by reduction at a cathodic electrode. Enzymic systems associated with the water splitting and oxygen evolution are amongst the most fragile components of the photosynthetic apparatus, and the monitoring of algal oxygen production is therefore a useful approach to early detection of toxic environmental pollutants.Several species of unicellular algae were used for these experiments : Chlorella vulgaris, Scenedesmus subspicatsus and Selenastrum capricomutum. Algal cultures were harvested in the exponential growth phase and diluted to 0.5 O.D. (655 nm); then 1 ml aliquots were centrifuged at 900xg for 3 min. After centrifugation, cells were resuspended in growth medium, LEFEBVRE and CZARDA (LC), and immobilized by aspiration onto a filter disc. This filter disc was placed onto the carbon working electrode surface. Filters were held in place by a fine nylon mesh.This biosensor is a two electrode system comprising a carbon working electrode and Ag/AgCl reference/counter electrode. Solution was continuously flowed through the electrochemical cell at a flow rate of 2 ml min-1. Illumination of the algal biocatalyst was supplied by light emitting diodes with a peak wavelength of 635 nm and a light intensity of 125 millicandellas. Periodicity of illumination was chosen in order to obtain a stable photosynthetic response.Biosensors exploiting direct electron transfer from a biocatalyst to an electrical system are not feasible. Indeed, the tell wall of the biocatalyst act as a barrier to the exchange of electrons between the electrode and the redox intermediates oft the cell. Electroactive compounds (mediators) must be used to shuttle electrons from the photosynthetic electron transfer chain to the electrode. Mediators were added to the flowing solution of LC medium, and a potential of 550 mV applied at the working electrode to reoxidize mediator reduced by the biocatalyst. The mediator must be lipophilic to access the chloroplast electron transport chain of eukaryotic algae. We tested a wide range of mediators but only p-benzoquinone (p-BQ) and 2,6-dimethylbenzoquinone gave measurable responses.A concentration of 0.2 mM p-BQ (21.5 mg/l) was employed to measure photosynthetic activity. Experiments showed that 15 minutes light period followed by a 15 minutes dark period gave a steady photosynthetic response. However, this high concentration of mediator was toxic for the cells. Static algal tests using Chlorella vulgaris have shown that growth is totally inhibited after 72 hours at a concentration of 5.4 mg/l. The working life of this sensor was therefore very short, less than 24 hours : after 16 hours of continuous monitoring, the recorded photosynthetic current was less than 20 % of initial response. Sensor life was not increased when the probe was used alternately with recovery periods in nutrient medium (4 hours of working period/4 hours of recovery period).The same apparatus was used for the oxygen electrode based biosensor. The working electrode was coated with a Teflon gas permeable membrane to protect the sensor against poisoning by electrochemically active compounds. Separation of the working and reference/counter electrode requires addition of electrolyte in the flowing solution. With such a semi-protected oxygen electrode, mass transport controlled oxygen reduction currents were obtained when the Teflon covered cathode was poised at -700 mV.The oxygen biosensor responded more rapidly than the mediated biosensor to changes in the light regime, and alternating light and dark periods of 1 min of light followed by 4 min of dark were used. The sensor also showed good long term stability, with a working life of up to seven days using Chlorella vulgaris or Scenedesmus subspicalus as biocatalysts.The sensitivity of this oxygen electrode based biosensor was tested on herbicides (isoproturon, propanil and atrazine), cyanide and heavy metals (copper and mercury). Results were compared with chose obtained with three toxicity tests : a standard algal growth inhibition test, the inhibition of photosynthetic activity in spinach leaves and the alga Chlamydomonas reinhardii, and the Microtox test using the luminescent bacterium Photobacterium phosphoreum.IC50 obtained for isoproturon and atrazine were very similar for the growth inhibition and the oxygen sensor tests. The inhibition of oxygen production by spinach leaves was less sensitive to atrazine; no toxic affect could be detected with the Microtox test. The oxygen sensor was also very sensitive to cyanide but the response of the probe was quite different if Selenastrum capricornutum or Chlorella vulgaris was used.The sensor allowed metals detection but this detection of toxicity was slow compared to that of herbicides or cyanide. Inhibition growth tests and Microtax test were more sensitive than the algal sensor for copper and mercury

Étude de l’écotoxicité de sous-produits de désinfection issus d’un effluent chloré

National audienc

Evaluation de l'ecotoxicite des dechets - synthese des resultats obtenus Propositions de seuils de classement, optimisation de la batterie de bioessais

Available from INIST (FR), Document Supply Service, under shelf-number : RP 185 (4506) / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueSIGLEMinistere de l'Amenagement du Territoire et de l'Environnement, 75 - Paris (France). Sous-direction des Produits et des Dechets (SDPD)FRFranc

Colloque final du programme de recherche ECHIBIOTEB : Outils innovants d’échantillonnage, d’analyses chimiques et biologiques pour le suivi de traitements avancés des eaux usées et des boues

National audienceRésumé du programme ECHIBIOTEB : Bien que les stations de traitement des eaux usées (STEU) ne soient pas construites dans le but d’éliminer les micropolluants organiques et métalliques, ces derniers peuvent néanmoins être éliminés de la phase dissoute des eaux usées par les procédés de traitement biologique conventionnels. L’élimination peut se faire grâce aux mécanismes d’adsorption sur les boues ou de dégradation biologique ou abiotique. Cependant, certains micropolluants sont réfractaires à ces procédés de traitement et sont rejetés dans les milieux aquatiques avec les eaux traitées. Pour limiter ces rejets de micropolluants réfractaires, des procédés de traitements complémentaires peuvent être mis en place. Par ailleurs, les micropolluants contenus dans les boues sont aussi susceptibles de contaminer les nappes d’eau souterraines et les milieux aquatiques de surface, quand ces boues sont épandues sur sols agricoles. Actuellement, il y a besoin de mieux comprendre l’efficacité vis-à-vis des micropolluants des procédés complémentaires de traitement des eaux et des procédés de traitement des boues. Le but du programme ECHIBIOTEB est d’étudier, au moyen de combinaisons innovantes d’outils chimiques, biologiques et d’échantillonnage, des procédés de traitement des eaux usées et des boues. Le deuxième objectif est d’étudier les avantages et les inconvénients comparés de chacun de ces outils innovants, ainsi que leur complémentarité, pour l’étude de l’efficacité des procédés de traitement des eaux et des boues. Les outils d’échantillonnage mis en oeuvre dans les eaux sont des échantillonneurs intégratifs tels que les POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler) et les SPMD (Semi-Permeable Membrane Device). L’intérêt de ces échantillonneurs est d’améliorer la représentativité temporelle de l’échantillonnage des eaux avec obtention de concentrations dans l’eau moyennées sur la durée d’exposition (de 2 à 4 semaines). Les outils chimiques utilisés sont l’analyse ciblée de presque 180 contaminants prioritaires et émergents, et l’analyse non-ciblée, ou screening, réalisée au moyen de techniques chromatographiques combinées à de la spectrométrie de masse haute résolution ; ainsi que la caractérisation de la matière organique dissoute et de ses interactions avec les micropolluants (par l’étude de la fluorescence). Les outils biologiques testés, pratiqués en laboratoire ou in situ, consistent en des bioessais in vitro, pour évaluer des activités biologiques à l’échelle cellulaire, et des bioessais in vivo, pour évaluer des effets à l’échelle d’un organisme vivant. Pour répondre aux objectifs d’ECHIBIOTEB, 8 procédés de traitement complémentaire des eaux usées et 3 procédés de traitement des boues ont été étudiés. Les procédés de traitement des eaux usées sont des procédés d’oxydation à l’ozone (O3) ou à l’ozone associé à du charbon actif en grain (CAG), des procédés d’oxydation avancée comme l’ozone couplé à du peroxyde d’hydrogène (O3+H2O2) ou l’UV couplé à du peroxyde d’hydrogène (UV+H2O2), des procédés d’adsorption comme un filtre à écoulement horizontal garni de CAG, d’argile expansée et de zéolite, et enfin une lagune de finition. Ils ont été étudiés à l’échelle réelle ou à l’échelle de pilotes semi-industriels positionnés à la sortie des procédés de traitement biologique conventionnels. Les STEU sur lesquelles ces procédés ont été étudiés sont de tailles variables (entre 1 000 et 300 000 équivalents habitants) et sont équipées de procédés de traitement biologique variés, réalisant soit nitrification et dénitrification (tels que des boues activées à aération prolongée, des bioréacteurs à membranes), ou réalisant une nitrification seulement (biofiltres nitrifiants ou disques biologiques suivis de lits de clarification-séchage plantés de roseaux). Pour les boues, 3 procédés de traitement ont été étudiés : le sécheur solaire, le compostage et le lit de séchage planté de roseaux. Ils ont été étudiés à échelle réelle sur 3 sites. Pour étudier les procédés de traitement complémentaire des eaux, 2 sortes de campagnes de prélèvement ont été menées : les « campagnes courtes » où l’échantillonnage a été réalisé pendant une journée, avec des échantillonnages d’eau moyens 2h (représentatifs des procédés étudiés) et des analyses en laboratoire ; et les « campagnes longues » réalisées pendant une durée d’un mois, avec des échantillonnages d’eau et l’exposition d’échantillonneurs intégratifs (sur 15 jours ou 4 semaines), ainsi que l’exposition des organismes biologiques « in situ dérivé » (i.e. « ex situ sur le site ») en plus de celle en laboratoire. Au total, ont été réalisées 11 campagnes courtes et 4 campagnes longues pour les eaux. Pour étudier les procédés de traitement des boues, 3 campagnes de prélèvement ont été menées et afin d’analyser le même lot de boue avant et après traitement, les campagnes ont été réalisées à l’intervalle de temps correspondant à la durée du séchage ou du compostage

Adapting standard aquatic and sediment toxicity tests for use with manufactured nanomaterials: Key issues, expert consensus, and recommendations

The unique properties of manufactured nanomaterials (MNs) suggest that their direct use or application in nano-enabled products will increase in the future. This will result in increased potential for human and environmental exposure to MNs during their manufacture, use, or disposal and suggests the need for MN-specific hazard and risk assessment approaches. Assessment of MN risk will require reliable, standardized hazard testing methods such as those provided by the Organization of Economic Cooperation and Development (OECD). However, guidance on how to design studies to address the many difficulties in testing MN, due to their particulate, fibrous, and colloidal properties, has yet to be developed. Here, we summarize findings from an expert workshop convened (as part of OECD's Working Party on Manufactured Nanomaterials ongoing activities) for the purpose of developing such a guidance document for aquatic and sediment testing. Workshop attendees (23 experts from 6 countries) identified critical components of test guidelines that will require additional or modified guidance. The discussion was based on attendees own research experience and on literature information elucidating the common issues related to material losses, dissolution, or modification in exposure systems and inconsistencies in testing practices. These include preparation of dispersions, exposure metrics, maintaining (and monitoring) consistent exposure levels, and reliable analytical and quantitative methods. In this presentation, we discuss these topics and identify where consensus was, and was not, achieved including the heavily-debated issues of use of dispersants, manipulation of media properties (e.g. ionic strength or composition), testing unstable materials, using a water accommodated fraction approach, and adhering to the 20% exposure fluctuation thresholds (or applying other, MN-specific thresholds) common to many test guidelines. Workshop attendees also identified specific information gaps that might be addressed in future research to facilitate development of testing guidance. In addition to addressing standardized testing, the workshop findings will also facilitate more consistent testing and reporting of results in more exploratory research

Assessment of compost quality for its environmentally safe use by means of an ecotoxicological test on a soil organism

A research project was carried out to evaluate toxicological effects of compost addition to agricultural soil using the earthworm Eisenia foetida (Annellida) as a representative organism of the soil fauna. Moreover, the correlation between compost biochemical stabilization and toxicity at different phases of the composting process was assessed. Samples were collected from three composting plants at three different maturation levels (beginning of the composting process, intermediate compost after bio-oxidation, and mature refined compost). Two tests were performed: a standard chronic solid-phase test and an acute solid-phase test (developed originally by the authors). In the first test, the measured end-points were mortality, growth and reproduction; while in the second test earthworms’ behavior was evaluated. The chosen compost concentrations in soil ranged from 2.5 to 100 %, with the aim of obtaining the toxicological parameters (LC50) and to mimic real agricultural dosages for the lower concentrations. Results indicated an increase in compost toxicity with greater compost concentrations; in particular, agricultural compost dosage below 10 % showed no toxicity. Moreover, toxicity did not decrease during composting; intermediate compost showed the highest LC50 values. As a consequence, no correlation was ascertained between the results of ecotoxicological analysis and waste biochemical stability parameters during the composting process