Brevet FR2846338A1 — publié le 20040430

La présente invention concerne le domaine technique des biocapteurs. En particulier, l'invention a pour objet un biocapteur électrochimique multienzymatique à algues unicellulaires ainsi qu'un procédé pour détecter la présence éventuelle de polluants au sein d'un liquide aqueux mettant en oeuvre ledit biocapteur. Un biocapteur est un outil qui permet de transformer un phénomène biochimique en un signal électrique. Il est composé d'un élément biologique appelé également biorécepteur, ainsi que d'un transducteur qui convertit en signal électrique la modification biochimique intervenue au niveau du biorécepteur. Il existe différents types de biocapteurs qui different de par la nature de leur biorécepteur, mais 10 également de leur transducteur. Dans le domaine de l'environnement, il est très important de disposer d'outils capables de détecter la présence de polluants ou de substances toxiques au sein des milieux aqueux, tels que les écosystèmes aquatiques, l'eau des stations d'épuration, les effluents industriels. En effet, le problème de la pollution de l'eau, par exemple, 15 par les pesticides et les ions de métaux lourds devient de plus en plus critique. Pour limiter l'agression des polluants sur les écosystèmes, il convient de mettre au point des outils de détection précoces capables de les détecter rapidement, qui soient en outre facilement transportables sur sites à surveiller et qui présentent des cots de revient relativement faibles. La détection de faibles concentrations de polluants dans le domaine de l'environnement demande des méthodes d'analyse précises et sensibles. Les méthodes chromatographiques ou spectroscopiques sont largement utilisées, mais ces méthodes sont onéreuses, longues à mettre en oeuvre et surtout présentent l'inconvénient majeur de ne détecter que certaines espèces qui sont spécifiquement 25 recherchées. De ce fait, des produits toxiques peuvent encore être présents dans les échantillons sans qu'on soit en mesure de les identifier. D'autres approches pour le contôle de la pollution de liquides aqueux ont été développées. L'écotoxicité sur des organismes vivants allant des truites arc-en-ciel aux bactéries bioluminescentes est largement utilisée. Ces méthodes sont mises en 30 oeuvre non pas pour identifier des polluants particuliers, mais pour donner une idée de la toxicité d'un mélange vis-à-vis de l'organisme vivant utilisé comme bioindicateur. Dans ce cas, le temps de réponse est parfois long, c'est-à-dire qu'il peut atteindre plusieurs jours, et les mesures sont cantonnées aux laboratoires. Il serait donc intéressant de disposer d'autres techniques plus appropriés. Les inventeurs ont eu l'idée de développer de nouveaux biocapteurs aptes à détecter 5 différents types de polluants au sein d'un liquide aqueux. Parmi les biocapteurs pour la détection de polluants, il existe des biocapteurs dits mono-enzymatiques. Une seule enzyme est immobilisée sur ces biocapteurs, de sorte qu'ils ne sont sensibles qu'à une seule classe d'inhibiteurs spécifiques de la dite enzyme et ne peuvent donc pas être utilisés pour détecter la présence de nombreux polluants présents 10 simultanément dans les liquides aqueux à étudier. De plus, les enzymes pouvant être utilisées dans ce type d'applications sont en nombre limité du fait de leur instabilité et de leur prix prohibitif. Ce type de biocapteurs mono-enzymatiques ne sont donc pas adaptés aux applications environnementales. D'autres biocapteurs utilisent des cellules entières en tant que biorécepteur tels 15 que différents microorganismes comme les bactéries ou les algues. On pourra se référer à SENSOR & ACTUATORS, 1996, 1334, 270-275 qui décrit des biocapteurs optiques basés sur des mesures de perturbation du métabolisme algale au niveau de ses fonctions générales comme la photosynthèse et la fluorescence. Dans ce cas, les mesures réalisées ne sont pas basées sur l'activité enzymatique des cellules entières 20 utilisées. Claude DURRIEU et al décrivent dans Ecotoxicology and Environmental Safety, 2002, 51, 206-209, un biocapteur à détection optique sur lequel des algues unicellulaires sont immobilisées. L'activité enzymatique de l'alcaline phosphatase est mesurée grâce à un fluorimètre et permet de détecter la présence de métaux 25 lourds. Néanmoins, ces mesures nécessitent l'utilisation d'un fluorimètre rendant le capteur difficilement transportable. De plus, un tel biocapteur n'est pas adapté pour la détection de métaux lourds présents en faible concentration, par exemple inférieure à 10 ppb. Dans ce contexte, l'un des objectif de la présente invention est de fournir un 30 nouveau dispositif capable de détecter la présence éventuelle de polluants au sein d'un liquide aqueux, ce dispositif se devant de répondre aux exigences suivantes: - être capable de détecter et d'identifier, de façon sélective, différents polluants présents au sein des milieux aqueux à contrôler, - être capable d'effectuer des mesures instantanées et in situ, - se présenter sous une forme miniaturisée facile à mettre en oeuvre sur le terrain et aisément transportable, - être stable et capable d'effectuer des mesures en continu, - être facile à fabriquer et à un cot de revient relativement faible, - être capable de détecter des faibles quantités de polluants, notamment de l'ordre du ppb. L'invention a donc pour objet un biocapteur multi-enzymatique, destiné à détecter la présence éventuelle de polluants spécifiques au sein d'un liquide aqueux, comportant un capteur électrochimique avec une électrode de référence et une électrode de mesure sur laquelle des algues unicellulaires vivantes sont immobilisées, ces algues comprenant différentes enzymes membranaires réactives, les polluants 15 détectables ayant le pouvoir d'inhiber l'activité enzymatique de l'une des enzymes membranaires. Un autre aspect de l'invention concerne un procédé pour détecter la présence éventuelle de polluants au sein d'un liquide aqueux, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) mettre un biocapteur tel que défini ci-dessus en contact avec le liquide aqueux, puis b) mesurer l'éventuelle inhibition de l'activité enzymatique d'une première enzyme membranaire des algues unicellulaires pour en déduire la présence de polluants spécifiques responsables de l'inhibition détectée, 25 c) répéter l'étape b) pour une deuxième enzyme membranaire. La présente invention a également pour objet 1' utilisation d'un biocapteur tel que défini ci-dessus pour détecter la présence d'ions de métaux lourds et/ou de dérivés organophosphorés au sein d'un liquide aqueux. Les inventeurs ont mis en évidence qu'il était possible d'obtenir des 30 biocapteurs particulièrement performants en associant un capteur électrochimique à algues unicellulaires vivantes. En effet, les algues unicellulaires présentent une grande sensibilité aux polluants liés à leur pouvoir accumulateur important. Par -. -4 ailleurs, ces organismes sont très faciles à manipuler et à cultiver. De plus, les algues unicellulaires sont des organismes particulièrement robustes dont la taille et la forme facilitent leur immobilisation sur le capteur électrochimique.z-,Surtout, les algues unicellulaires possèdent naturellement différentes enzymes membranaires qui 5 pourront être sollicitées pour la détection de différents polluants spécifiques, même présents en faible concentration. Ces enzymes se trouvant dans leur milieu naturel, elles présentent de ce fait une très bonne stabilité. Par ailleurs, l'utilisation de capteurs électrochimiques permet une mesure rapide pouvant être effectuée directement sur le terrain. De plus, les capteurs 10 électrochimiques utilisés sont disponibles dans le commerce à un faible cot de revient. Le biocapteur selon l'invention comprend donc des algues unicellulaires vivantes immobilisées sur la surface du biocapteur destinée à être mise en contact avec le liquide aqueux à étudier. On pourra, par exemple, utiliser des algues 15 unicellulaires de la famille des chlorophycées, par exemple des algues Scenedesmus subspicatus, Pseudokirchneriella subcapitata ou de préférence chlorella vulgaris, ou encore de la famille des euglénophycées ou des cyanophycées. Ces algues unicellulaires sont immobilisées sur l'électrode de mesure d'un capteur électrochimique. Cette immobilisation peut se faire selon tout moyen, par 20 exemple par adsorption puis réticulation. En particulier, on pourra réaliser une membrane en combinant les cellules algales avec une substance capable de polymériser, adsorber cette membrane sur l'électrode, puis ajouter un agent réticulant ou polymérisant afin d'obtenir la réticulation de la membrane et donc l'immobilisation des algues. En tant que substance capable de polymériser, on pourra 25 par exemple utiliser de l'albumine de sérum bovin (BSA) ou de l'alginate de calcium en combinaison avec respectivement le glutaraldéhyde ou le chlorure de calcium comme agent réticulant. L'utilisation de BSA est particulièrement préférée. De manière avantageuse, on déposera sur l'électrode un mélange homogène de cellules algales et de BSA contenant de 5 à 15 % de BSA. En particulier, il est préférable de 30 déposer 1.103 à 10.103 algues/ mm2 de surface d'électrode. Les algues unicellulaires présentent différentes enzymes membranaires susceptibles de réagir avec différents polluants spécifiques présents dans le liquide aqueux à étudier. En particulier, on pourra citer les enzymes phosphatases alcalines dont l'activité enzymatique est inhibée par la présence de métaux lourds, les enzymes estérases dont l'activité enzymatique est inhibée par la présence de dérivés organophosphorés et l'enzyme nitrate réductase dont l'activité enzymatique est 5 inhibée par des ions NH4+. Les biocapteurs selon l'invention sont donc parfaitement adaptés pour détecter la présence et les variations de concentration de métaux lourds (Cd, Zn, Pb...) ou de pesticides organophosphorés dans des liquides aqueux. Le principe de détection consiste à surveiller l'influence qu'a le liquide à analyser sur l'activité enzymatique des enzymes présentes au niveau de la membrane 10 des cellules algales. Par exemple, on sait que les métaux lourds tels que Cd, Zn, Pb se comportent comme des inhibiteurs des enzymes phosphatases alcalines. Par conséquent, en mesurant l'activité enzymatique obtenue avec le capteur en présence d'un substrat spécifique de la phosphatase alcaline à saturation, avant contact du capteur avec le 15 milieu à contrôler et en la comparant avec l'activité enzymatique obtenue après contact avec le milieu, on en déduit si le milieu contient des métaux lourds responsables de l'inhibition de l'activité enzymatique de la phosphatase alcaline observée. Bien entendu, l'enzyme membranaire doit être réactive, c'est à dire susceptible de réagir avec un substrat spécifique. Dans le cas de l'enzyme 20 phosphatase alcaline présente dans chlorella vulgarisa il est nécessaire de maintenir les algues dans un milieu sans phosphate pendant une durée minimale de 15 jours, afin d'épuiser leur réserve en phosphate. L'activité enzymatique est mesurée grâce au capteur électrochimique. En effet, la réaction enzymatique entraîne des changements chimiques tels que la formation 25 d'ions phosphates ou des variations de pH directement mesurables grâce aux capteurs conductimétriques, ampérométriques ou potentiométriques par détection de la conductance ou du pH de la solution. En effet, le capteur électrochimique comportant une électrode de référence et une électrode de mesure sur laquelle des cellules vivantes algales sont immobilisées 30 permet de détecter les réactions chimiques intervenant au niveau des enzymes sous la forme d'un signal électrique mesurable. Ce capteur électrochimique est par exemple relié à une table traçante permettant de suivre l'évolution du signal. Différents types de capteurs ou électrodes pourront être utilisés: - des capteurs potentiométriques permettant de déterminer la différence de potentiel qui s'établit entre une première électrode de mesure sur laquelle les cellules algales sont déposées et une seconde électrode de référence, - des capteurs ampérométriques ou, - des capteurs conductimétriques; le principe des capteurs conductimétriques repose sur la mesure de la conductance au niveau des cellules de détection situées à l'extrémité du capteur. Cette conductance varie lorsque des 10 porteurs de charges hautement mobiles sont générés ou consommés par les réactions enzymatiques. On pourra utiliser un transducteur conductimétrique constitué de deux paires d'électrodes interdigitées en platine déposées sur un substrat Si/SiO2. Une des électrodes sert à faire la mesure tandis que l'autre joue le rôle de référence. Un tel 15 transducteur est plongé dans la solution à tester. Le signal électrique mesuré est amplifié et reporté sur un traceur. Il est alors facile d'étudier les variations de la conductance lors de l'injection d'un réactif. Le signal tracé correspond à la différence des deux signaux émis au niveau des deux électrodes de détection. Les capteurs potentiométriques permettent de mesurer les variations locales de 20 pH directement relié à la concentration en ions H+. Lors de certaines réactions enzymatiques, la libération d'ions H+ ou OH- peut modifier localement le pH. On pourra utiliser des électrodes à la surface desquelles des groupements SiOH sont déposés. Lors d'une réaction enzymatique, la variation de pH dans la membrane sur laquelle les algues sont immobilisées va provoquer la transformation de SiOH en 25 SiO- ou SiO+H2. Ces accumulations de charges à la surface des électrodes ionosensibles entraînent alors une variation de potentiel que l'on peut mesurer. Les avantages de tels transducteurs électrochimiques sont nombreux. Tout d'abord, ils ne possèdent pas d'électrode de référence compliquée: il suffit juste d'immobiliser sur l'électrode de référence des algues unicellulaires dépourvues 30 d'activité enzymatique. Pour cela, on utilisera, par exemple, des algues unicellulaires préalablement chauffées à 1000C. Les transducteurs électrochimiques permettent d'obtenir des biocapteurs miniaturisés, facilement transportables et donc utilisables pour effectuer des mesures directement sur le terrain. De plus, ils sont insensibles à la lumière. La mise en contact du biocapteur avec l'analyte à contrôler peut, par exemple, s'effectuer selon l'une des deux façons suivantes: - soit par contact direct: dans ce cas, les électrodes sont plongées dans l'analyte à contrôler et immédiatement une concentration de substrat correspondant à la saturation de l'enzyme dont l'activité est à mesurer est introduite; soit par mise en contact préalable: les électrodes sont plongées dans l'analyte à contrôler pendant un temps t compris par exemple entre 15 et 30 minutes, les 10 électrodes sont retirées, puis le substrat est injecté à la concentration saturante. Le temps de contact ne doit pas être trop long pour éviter que les polluants ne diffusent à travers la membrane de l'algue, ce qui risquerait d'induire la mort de l'algue. Ensuite, la mesure de l'activité enzymatique est mesurée. Les biocapteurs selon l'invention sont multi-enzymatiques du fait de la présence naturelle de différentes enzymes membranaires dans les algues unicellulaires. Ces enzymes membranaires sont accessibles par les polluants contenus dans le liquide aqueux à contrôler. La mesure de l'activité enzymatique de ces différentes enzymes avant et après contact du biocapteur avec le liquide aqueux à 20 analyser permet de déduire l'inhibition de certaines activités enzymatiques et donc la présence d'inhibiteurs spécifiques. De plus, le pourcentage d'inhibition observé peut être directement relié à la concentration d'inhibiteurs, qualifiés de polluants. Les biocapteurs selon l'invention sont capables de détecter la présence de très faibles concentrations de polluants, de l'ordre du ppb. Par ailleurs, ces biocapteurs 25 sont peu chers, se présentent sous une forme miniature facilement transportable et manipulable et peuvent être utilisés directement sur le terrain pour effectuer des mesures rapides, étant donné que leur temps de réponse est de quelques minutes. De plus, contrairement aux bactéries, par exemple, les algues unicellulaires sont peu sensibles à la contamination bactérienne et, contrairement aux enzymes isolées, elles 30 n'ont pas besoin d'être conservées à froid. Par conséquent, du fait de cette grande stabilité, les biocapteurs de l'invention peuvent être conservés pendant au moins une vingtaine de jours sans conditions particulières, notamment dans le cas de chlorella vulgaris. Le temps de conservation des biocapteurs est bien entendu lié à la durée de vie des cellules algales immobilisées et à la stabilité de la réponse enzymatique. Les biocapteurs selon l'invention pourront être utilisés dans de nombreux domaines liés à l'environnement o il est important de contrôler en continu des 5 milieux aqueux. Ces biocapteurs pourront notamment être utilisés pour la surveillance d'effluents industriels et la détection de polluants en vu de déclencher des systèmes d'alarme et ainsi contribuer à la préservation des milieux aquatiques. Les exemples ci-après illustrent l'invention sans toutefois la limiter. EXEMPLES Préparation des membranes et des capteurs On utilise des souches algales Chlorella Vulgaris achetées à la collection de culture d'Algues et de Protozoaires Cumbria, Grande-Bretagne. Pour posséder un niveau d'activité phosphatase alcaline satisfaisant, les algues 15 doivent être soumises à une période de carence en phosphore. Pour cela, les cultures ensemencées en milieu AFNOR T90-304 et placées à buller (150 litres d'air/heure) en chambre de culture permettent d'obtenir des algues dans leur phase de croissance exponentielle (environ 4 jours après le repiquage). Ces algues sont alors transférées dans un milieu AFNOR T90-304 sans phosphore par centrifugation (4000 20 tours/minutes pendant 10 minutes) puis remises en suspension à une concentration de 3,75.105 algues/ml. L'activité maximale est alors obtenue pour une période de starvation de 21 jours en chambre de culture et en bullage. A la fin de cette durée, on peut conserver les algues, pendant un mois, à 40 C et à l'obscurité sans atténuation notable de leur activité phosphatase alcaline. Deux mélanges sont préparés à partir de 10 mg de BSA pour 100 ptl d'algues: un contient des cellules algales vivantes et du BSA, l'autre des cellules algales mortes (passage à 100 'C pendant 15 minutes environ) dépourvues d'activité phosphatase et du BSA dans les mêmes proportions (mélange déposé sur l'électrode de référence). Chaque mélange est déposé sur une des deux électrodes de détection à l'extrémité d'un capteur conductimétrique. Enfin, on place les capteurs au contact de vapeurs de glutaraldéhyde pendant 20 minutes. Exemple 1: mesure de l'activité phosphatase alcaline composition volume dans 5ml tampon TRIS-HC1 50 pl (1M, pH 8,5) MgCl2 (0,01M) 500 itl substrat 10 à 100 pl eau distillée qsp 5ml Le tampon, le MgCl2 et l'eau sont mélangés préalablement. Le biocapteur est plongé dans ce milieu réactionnel jusqu'à stabilisation du signal, puis un volume de substrat est injecté pour chaque mesure. Après stabilisation du signal réponse, l'amplitude de la variation dS (gS) avant/après injection est calculée. La courbe représentant dS en fonction de la concentration en substrat, appelée cinétique 10 enzymatique, peut alors être tracée et permet de déduire la concentration de substrat entraînant la saturation de l'activité enzymatique de l'enzyme. Deux substrats ont été utilisés: la méthyl-umbelliféryl-phosphate (MUP) et la para-nitrophényl-phosphate (pNPP). La cinétique enzymatique de la phosphatase alcaline obtenue avec pNPP est présentée Fig. 1. Ensuite, on mesure, avant contact avec la solution aqueuse polluée, l'activité enzymatique de la phosphatase alcaline, en injectant un volume de substrat correspondant à la saturation de l'enzyme, puis on met le capteur au contact avec la solution aqueuse polluée pendant un temps t. On renouvelle ensuite la mesure d'activité enzymatique en injectant un même volume de substrat correspondant à la 20 saturation de l'enzyme et on calcule l'inhibition observée par rapport à celle avant contact. De telles mesures de l'inhibition de l'activité de la phosphatase alcaline ont été réalisées sur des solutions aqueuses contenant des ions cadmium Cd2+ à des concentrations comprises entre 0,1 ppb et 10 ppm. Le volume de pNPP injecté est de 100 gl, correspondant à 0,86 mM, le temps de contact entre les algues et les ions Cd2+ est de 45 minutes. Le TABLEAU ci-après indique les taux d'inhibition obtenus pour des concentrations de Cd2+ de 1,10 et 100 ppb. Concentration en Cd2+ Taux d'inhibition de la phosphatase alcaline 1 ppb 10% ppb 40% ppb 100% Exemple 2: mesure de l'activité acétylcholinestérase composition volume dans 5ml tampon KH2PO4 2500 [tl (5mM, pH 8) Substrat 10 à 100 pl eau distillée qsp 5 ml Le principe de la mesure est le même que celui décrit à l'exemple 1 pour la 10 phosphatase alcaline.Le substrat utilisé est le chlorure d'acétylcholine (AChCl). La cinétique enzymatique de l'acétylcholinestérase obtenue avec AChCl est présentée Fig. 2. Des mesures de l'inhibition de l'activité de l'acétylcholinestérase ont été réalisées sur des solutions aqueuses contenant du paraoxon-rnéthyl à des 15 concentrations de 50 et 100 ppb. Le volume d'AChCl injecté est de 100 pi, correspondant à lOmM et le temps de contact entre les algues et le paraoxon-méthyl de 15 minutes. il Pour une concentration en paraoxon-méthyl de 100 ppb, on obtient un taux d'inhibition de l'acéthylcholinestérase de 100 %. Exemple 3: mesure de l'activité phosphatase alcaline puis de l'activité acétylcholinestérase On mesure successivement l'inhibition de l'activité de la phosphatase alcaline puis de l'acétylcholinestérase, conformément aux exemples 1 et 2 respectivement, observée en plongeant le biocapteur dans une solution aqueuse contenant 25 ppb d'ions cadmium Cd2+ et 50 ppb de paraoxon. Les volumes de substrat injectés sont de 100 gl soit 0,86 mM pour le pNPP et 10 100 ptl soit 10 mM pour l'AChCl. Le temps de contact entre les algues et le mélange Cd2+/paraoxonméthyl est de 30 minutes. On obtient un taux d'inhibition de l'acétylcholinestérase de 100 % et un taux d'inhibition de la phosphatase alcaline de %. REVENDICATIONS 1 - Biocapteur muti-enzymatique, destiné à détecter la présence éventuelle de polluants spécifiques au sein d'un liquide aqueux, comportant un capteur 5 électrochimique avec une électrode de référence et une électrode de mesure sur laquelle des algues unicellulaires vivantes sont immobilisées, ces algues comprenant différentes enzymes membranaires réactives, les polluants détectables ayant le pouvoir d'inhiber l'activité enzymatique de l'une des enzymes membranaires. 2 - Biocapteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les algues 10 unicellulaires sont des algues Chlorella Vulgaris. 3 - Biocapteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que, avant immobilisation, les algues Chlorella Vulgaris sont maintenues en milieu carencé en phosphate pendant une durée minimum de 15 jours. 4 - Biocapteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le 15 capteur électrochimique est un capteur conductimétrique ou potentiométrique. - Biocapteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les cellules algales sont immobilisées à raison de 1.103 à 10.103 algues/mm2 de surface d'électrode. 6 - Biocapteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les 20 algues unicellulaires sont immobilisées avec de l'albumine de sérum bovin polymérisé et du glutaraldéhyde comme agent réticulant. 7 - Procédé pour détecter la présence éventuelle de polluants au sein d'un liquide aqueux, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) mettre un biocapteur selon l'une des revendications 1 à 6 en contact avec le 25 liquide aqueux, puis b) mesurer l'éventuelle inhibition de l'activité enzymatique d'une première enzyme membranaire des algues unicellulaires pour en déduire la présence de polluants spécifiques responsables de l'inhibition détectée, c) répéter l'étape b) pour une deuxième enzyme membranaire. 8 - Utilisation d'un biocapteur selon l'une des revendications 1 à 6 pour détecter la présence éventuelle d'ions de métaux lourds au sein d'un liquide aqueux. 9 - Utilisation d'un biocapteur selon l'une des revendications 1 à 6 pour détecter la présence éventuelle de dérivés organophosphorés au sein d'un liquide aqueux. - Utilisation d'un biocapteur selon l'une des revendications 1 à 6 pour détecter la présence d'ions de métaux lourds et de dérivés organophosphorés au sein d'un liquide aqueux. 11 - Utilisation d'un biocapteur selon l'une des revendications 1 à 6 pour détecter la présence d'ions de métaux lourds et/ou de dérivés organophosphorés à une concentration de l'ordre du ppb ou inférieure dans un liquide aqueux.