# Les biocapteurs analytiques destinés à un usage environnemental : définition, place au sein des autres méthodes analytiques et perspectives d'usages

Association Record, E. Lefrançois, I. Bazin

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Association Record, E. Lefrançois, I. Bazin. Les biocapteurs analytiques destinés à un usage environnemental : définition, place au sein des autres méthodes analytiques et perspectives d'usages. n°16-0152/1A, RECORD. 2018, pp.115. hal-05072140

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# Les biocapteurs analytiques destinés à un usage environnemental

## Définition, place au sein des autres méthodes analytiques et perspectives d'usages

<figure><img src="image_2.png" /></figure>
# LES BIOCAPTEURS ANALYTIQUES DESTINES A UN USAGE ENVIRONNEMENTAL

## DEFINITION, PLACE AU SEIN DES AUTRES METHODES ANALYTIQUES ET PERSPECTIVES D'USAGES

RAPPORT FINAL

mai 2018

E. LEFRANCOIS - ASCONIT

I. BAZIN - Les Mines D'Alès

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

ASCONIT
ingénierie écologique

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

IMT Mines Alès
École Mines-Télécom
Créée en 1989 à l'initiative du Ministère en charge de l'Environnement, l'association RECORD – REseau COopératif de Recherche sur les Déchets et l'Environnement – est le fruit d'une triple coopération entre industriels, pouvoirs publics et chercheurs. L'objectif principal de RECORD est le financement et la réalisation d'études et de recherches dans le domaine des déchets et des pollutions industrielles.

Les membres de ce réseau (groupes industriels et organismes publics) définissent collégialement des programmes d'études et de recherche adaptés à leurs besoins. Ces programmes sont ensuite confiés à des laboratoires publics ou privés.

### Avertissement :

Les rapports ont été établis au vu des données scientifiques et techniques et d'un cadre réglementaire et normatif en vigueur à la date de l'édition des documents.

Ces documents comprennent des propositions ou des recommandations qui n'engagent que leurs auteurs. Sauf mention contraire, ils n'ont pas vocation à représenter l'avis des membres de RECORD.

### Remerciements :

Les auteurs remercient Julie Carimalo et plus globalement le CTV AllEnvi (www.cvt-allenvi.fr) pour son aimable et fructueuse contribution à l'étude.

* ✓ Pour toute reprise d'informations contenues dans ce document, l'utilisateur aura l'obligation de citer le rapport sous la référence :

**RECORD**, Les biocapteurs analytiques destinés à un usage environnemental : définition, place au sein des autres méthodes analytiques et perspectives d'usages, 2018, 115 p, n°16-0152/1A

* ✓ Ces travaux ont reçu le soutien de l'ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie)
  www.ademe.fr

© RECORD, 2018

### Comité de suivi de l'étude :

Rémy BAYARD - INSA Lyon / RECORD, Julie CHARTON BISETTA – EDF, Bénédicte COUFFIGNAL – RECORD, Nadia DJEMEL - TOTAL RETIA, Nadine DUMOULIER – SUEZ, Laurent DUPONT – SNCF, Cécile GRAND – ADEME, Muriel ISMERT – EDF, Fabien LAURENT – SOLVAY, Philippe MARCHAL – SOLVAY, Agnès PILAS-BEGUE – SOLVAY, Danielle VENDITTI - TREDI
## RESUME

Les biocapteurs sont des appareils autonomes et intégrés, capables de fournir une mesure spécifique, quantitative ou semi-quantitative, d'un analyte, par le moyen d'un élément biologique de reconnaissance, directement en contact avec un élément de transduction. L'élément biologique constituant le récepteur peut être une cellule entière (procaryote ou eucaryote, parfois génétiquement modifiée), une molécule biologique (protéine, séquence d'ADN) ou une molécule synthétique biomimétique (enzyme ou anticorps recombinants, ADN synthétique, aptamère). En présence de l'organisme, la molécule ou le groupe de molécule cible, le récepteur émet un signal électrochimique, optique, mécanique ou magnétique qui est capté par le transducteur et converti en une mesure quantitative ou semi-quantitative.

Depuis le premier biocapteur enzymatique et électrochimique conçu pour la mesure de la glycémie, de nombreux autres biocapteurs ont été développés et commercialisés dans les domaines médicaux et agroalimentaires. Dans le domaine de l'environnement, les applications sont nombreuses et concernent autant l'eau, l'air que les matrices solides comme les sols et les déchets. Le besoin de disposer d'outils de mesure ou d'outils d'alerte, rapides, peu coûteux, utilisables *in situ*, sans compétences particulières, éventuellement capables de télétransmettre les résultats est croissant. Cependant la variabilité et la complexité des échantillons issus de l'environnement compliquent le développement de biocapteurs fiables, donnant des résultats reproductibles. De plus, la réglementation qui prévaut pour la surveillance de l'environnement est souvent très contraignante quant aux méthodes analytiques à mettre en œuvre. Ce sont là, les principales raisons qui expliquent le dynamisme de la recherche visant le développement de cette technologie y compris dans le domaine de l'environnement et le peu de transferts industriels aboutissant à la commercialisation d'appareils. Toutefois, la rapide évolution de toutes les technologies impliquées dans la conception d'un biocapteur et la demande sociétale en matière de surveillance environnementale ne peuvent qu'être favorables à l'essor de cette technologie.

## MOTS CLES

Biocapteurs ; Environnement ; Eau ; Air ; Sol ; Bioindication ; Ecotoxicologie ; 17βœstradiol ; Bisphénol A ; Mercure ; Glyphosate ; Phénol ; Hydrocarbures

## SUMMARY

Biosensors are autonomous and integrated devices, able to provide a specific quantitative or semi-quantitative measurement of an analyte. They are composed of a biosensing element (i.e. enzyme, tissue, living cell) that convert selectivity a physical or biological event into a measurable signal. This biomediator can also be a biomimic or biologically derived material like enzymes, antibodies or nucleic acids created with genetic engineering. The signal resulting from the analyte's interaction with the biological element can be physicochemical, optical, piezoelectric, electrochemical, etc. It is transformed by the transducer into a signal that can be measured and quantified thanks to associated electronics or signal processor.

Since the first enzyme-based electrochemical biosensor was reported for the measurement of blood glucose level, many other biosensors have been developed in many fields namely food industry, medical field, marine sector. In the field of environment, applications are numerous and concern as much water, air as solid matrices such as soil and waste.

Nowadays, there is obviously a need of fast, inexpensive, *in situ* and without special skills usable tools for a more efficient environmental monitoring. However, the variability and complexity of environmental samples complicate the development of reliable biosensors, giving reproductible results. In addition, current regulations for environmental monitoring are often very restrictive regarding analytical methods. These are the reasons why a paradoxe is observable: Research is very dynamic and prolific even in the field of the environment, while there are only few industrial transfers leading to the commercialization of devices.

Nevertheless, nanomaterial and all the technologies involved in biosensor development show great attractive prospects. In the same time, the societal demand for environmental monitoring is growing. This will probably promote biosensor development and their use in the near future.

## KEY WORDS

Biosensors ; Environment ; Water ; Air ; Soil ; Bioindication ; Ecotoxicology ; 17βœstradiol ; Bisphenol A ; Mercury ; Glyphosate ; Phenol ; Hydrocarbons
# SOMMAIRE

<table><tr><td>I.</td><td>Contexte et Objectif de l'étude</td><td>9</td></tr><tr><td>1.</td><td>Contexte historique et économique</td><td>9</td></tr><tr><td>2.</td><td>Objectifs de l'étude</td><td>11</td></tr><tr><td>II.</td><td>Méthodologie</td><td>11</td></tr><tr><td>1.</td><td>Les différentes étapes de l'étude</td><td>11</td></tr><tr><td>2.</td><td>Le recueil des publications</td><td>12</td></tr><tr><td>3.</td><td>Les entretiens</td><td>13</td></tr><tr><td>a.</td><td>Concepteurs de biocapteurs</td><td>13</td></tr><tr><td>b.</td><td>Les Sociétés d'Accélération du Transfert de Technologies (SATTs) et sociétés de transfert</td><td>13</td></tr><tr><td>c.</td><td>Les entreprises impliquées dans le suivi environnemental</td><td>14</td></tr><tr><td>d.</td><td>Les organismes et services de l'État impliqués dans l'innovation</td><td>14</td></tr><tr><td>4.</td><td>Les programmes de recherche nationaux et européens</td><td>14</td></tr><tr><td>a.</td><td>Les projets ANR</td><td>14</td></tr><tr><td>b.</td><td>Les projets financés par l'ADEME</td><td>15</td></tr><tr><td>c.</td><td>Les projets H2020</td><td>15</td></tr><tr><td>III.</td><td>Ce que nous apprend la bibliométrie</td><td>15</td></tr><tr><td>1.</td><td>Analyse descriptive de la bibliographie</td><td>15</td></tr><tr><td>2.</td><td>Contribution des pays et organismes de recherche dans le domaine des biocapteurs</td><td>18</td></tr><tr><td>IV.</td><td>Définition et classification des biocapteurs</td><td>21</td></tr><tr><td>1.</td><td>Définition</td><td>21</td></tr><tr><td>2.</td><td>Classification : les différents types de biocapteurs</td><td>22</td></tr><tr><td>3.</td><td>Les biocapteurs d'effets</td><td>25</td></tr><tr><td>V.</td><td>Les biocapteurs adaptés à la surveillance environnementale</td><td>26</td></tr><tr><td>1.</td><td>Biocapteurs à cellule entière</td><td>26</td></tr><tr><td>a.</td><td>Les biocapteurs microbiens</td><td>26</td></tr><tr><td>b.</td><td>Les biocapteurs à levures</td><td>29</td></tr><tr><td>c.</td><td>Les biocapteurs algaux</td><td>32</td></tr><tr><td>d.</td><td>Les biocapteurs intégrant d'autres compartiments biologiques</td><td>33</td></tr><tr><td>2.</td><td>Biocapteurs intégrant des biorécepteurs ayant des propriétés catalytiques</td><td>33</td></tr><tr><td>3.</td><td>Biocapteurs intégrant des biorécepteurs ayant une affinité vis-à-vis de la molécule cible</td><td>34</td></tr><tr><td>a.</td><td>Affinité de type anticorps/antigène</td><td>34</td></tr><tr><td>b.</td><td>Affinité de type acide nucléique/brin complémentaire</td><td>36</td></tr><tr><td>c.</td><td>Affinité liée à la configuration spatiale des molécules</td><td>39</td></tr><tr><td>4.</td><td>Les autres technologies associées aux biocapteurs</td><td>41</td></tr><tr><td>a.</td><td>Les nanoparticules et nanomatériaux</td><td>41</td></tr><tr><td>b.</td><td>La microfluidique</td><td>42</td></tr><tr><td>c.</td><td>L'électronique organique</td><td>42</td></tr><tr><td>VI.</td><td>Avantages et inconvénients des biocapteurs</td><td>42</td></tr><tr><td>1.</td><td>Rappel sur les méthodes analytiques traditionnelles (d'après Hassan et al. 2016)</td><td>43</td></tr><tr><td>a.</td><td>Chromatographie gazeuse</td><td>43</td></tr><tr><td>b.</td><td>Chromatographie liquide haute performance (high performance liquid chromatography ou HPLC)</td><td>43</td></tr><tr><td>c.</td><td>Spectrométrie de masse</td><td>43</td></tr><tr><td>d.</td><td>Spectroscopie de fluorescence (UV ou rayons X)</td><td>44</td></tr><tr><td>e.</td><td>Spectrométrie d'absorption atomique (Atomic Absorption Spectrometry ou AAS)</td><td>44</td></tr><tr><td>2.</td><td>Les méthodes écotoxicologiques et de bioindication</td><td>44</td></tr><tr><td>a.</td><td>Les méthodes écologiques basées sur la mesure des effets sur les populations in situ (bioindication)</td><td>44</td></tr><tr><td>b.</td><td>Les méthodes écotoxicologiques (bioessais)</td><td>47</td></tr><tr><td>3.</td><td>Place des biocapteurs parmi les méthodes d'évaluation environnementale</td><td>49</td></tr><tr><td>4.</td><td>Avantages communs à tous les biocapteurs</td><td>51</td></tr><tr><td>5.</td><td>Inconvénients communs à tous les biocapteurs à usage environnemental</td><td>51</td></tr><tr><td>6.</td><td>Les avantages et inconvénients spécifiques à chaque type de biocapteurs</td><td>52</td></tr><tr><td>VII.</td><td>Les différentes matrices cible</td><td>53</td></tr><tr><td>1.</td><td>L'eau</td><td>54</td></tr><tr><td>2.</td><td>L'air</td><td>54</td></tr><tr><td>a.</td><td>Les enjeux de la matrice air</td><td>54</td></tr><tr><td>b.</td><td>Les méthodes analytiques actuellement employées</td><td>54</td></tr><tr><td>c.</td><td>Les biocapteurs sensoriels développés ou en cours de développement</td><td>55</td></tr></table>
<table><tr><td>d.</td><td>Les biocapteurs conçus pour la surveillance de molécules toxiques</td><td>57</td></tr><tr><td>3.</td><td>Les solides (sol, déchets solides)</td><td>57</td></tr><tr><td>VIII.</td><td>Biocapteurs développés ou en cours de développement ciblés sur des groupes de molécules d'intérêt</td><td>62</td></tr><tr><td>1.</td><td>Les perturbateurs endocriniens</td><td>62</td></tr><tr><td>a.</td><td>Définition</td><td>62</td></tr><tr><td>b.</td><td>Origine</td><td>62</td></tr><tr><td></td><td>Famille chimique</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Sources potentielles</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Exemples</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Phtalates</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Plastiques, cosmétiques</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Dibutyl phtalate</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Alkylphénols</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Détergents, plastiques, pesticides</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Nonylpheno</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Retardateurs de flamme</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Mousses pour les mobiliers, tapis, équipements électroniques</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Polybromodiphényls (PBDE)</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Hydrocarbures aromatiques polycycliques</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Sources de combustion : fumée de cigarette, émissions des moteurs diesels, incendies</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Benzo(a)pyrène</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Polychlorobiphényls</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Transformateurs électriques</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>PCB, Arochlor</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Anciens pesticides</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Résiduels de stockage, pollution rémanente</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>DDT, dieldrine, chlordane</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Pesticides actuels</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Agriculture, nettoyages urbains, jardins particuliers</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Cf. tableau précédent</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Dérivés phénoliques</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Désinfectants, plastiques, cosmétiques</td><td>63</td></tr><tr><td></td><td>Bisphénols A, parabens, halogéno-phénols</td><td>63</td></tr><tr><td>c.</td><td>Les biocapteurs développés pour la détection des perturbateurs endocriniens</td><td>63</td></tr><tr><td>d.</td><td>Autres approches concernant les perturbateurs endocriniens : les bioessais</td><td>64</td></tr><tr><td>2.</td><td>Le glyphosate et son principal métabolite l'AMPA</td><td>68</td></tr><tr><td>a.</td><td>Définition</td><td>68</td></tr><tr><td>b.</td><td>Origine</td><td>68</td></tr><tr><td>c.</td><td>Aspects réglementaires</td><td>68</td></tr><tr><td>d.</td><td>Les biocapteurs développés pour la détection du glyphosate</td><td>68</td></tr><tr><td>3.</td><td>Le mercure (Hg) et autres Éléments Traces Métalliques (EMT)</td><td>71</td></tr><tr><td>4.</td><td>Les hydrocarbures, les composés chlorés et phénolés</td><td>74</td></tr><tr><td>a.</td><td>Définition</td><td>74</td></tr><tr><td>b.</td><td>Les biocapteurs développés pour la détection des composés phénolés (Karim and Fakhruddin 2012)</td><td>75</td></tr><tr><td>IX.</td><td>Bilan et Perspectives</td><td>78</td></tr><tr><td>1.</td><td>Bilan</td><td>78</td></tr><tr><td>2.</td><td>Perspectives</td><td>79</td></tr><tr><td>a.</td><td>Les molécules cible</td><td>79</td></tr><tr><td>b.</td><td>Les matrices cible</td><td>79</td></tr><tr><td>c.</td><td>Les nouvelles technologies</td><td>80</td></tr><tr><td>BIBLIOGRAPHIE</td><td></td><td>82</td></tr><tr><td>Annexe 1</td><td></td><td>86</td></tr><tr><td>Annexe 2</td><td></td><td>93</td></tr><tr><td>Annexe 3</td><td></td><td>96</td></tr><tr><td>Annexe 4</td><td></td><td>99</td></tr><tr><td>Annexe 5</td><td></td><td>103</td></tr><tr><td>Annexe 6</td><td></td><td>108</td></tr><tr><td>Annexe 7</td><td></td><td>113</td></tr></table>
<table><tr><td>Figure 15 : Répartition des types de transducteurs parmi les biocapteurs commercialisés pour un usage environnemental autre que la mesure de la DBO</td><td>25</td></tr><tr><td>Figure 16 : Schéma d'un biocapteur microbien (Naoufel Haddour, com. pers.)</td><td>26</td></tr><tr><td>Figure 17 : Principe technologique du biocapteur à levure (d'après Jarque et al. 2016)</td><td>30</td></tr><tr><td>Figure 18 : Bioessais intégrant des levures pour la détection de polluants environnementaux (Jarque et al. 2016)</td><td>31</td></tr><tr><td>Figure 19 : Schéma représentant le principe fonctionnel du Fluorotox (Arnatronic)</td><td>33</td></tr><tr><td>Figure 20 : Complexe anticorps recombinant - ARNm - ribosome (d'après Bazin et al. 2017)</td><td>34</td></tr><tr><td>Figure 21 : Caractéristiques principales (type d'aptamer, molécule cible et type de transducteur) des quinze aptacapteurs recensés par Bazin et al. (2017)</td><td>36</td></tr><tr><td>Figure 22 : Biocapteurs basés sur la séparation de molécules d'ADN par action catalytiques des desoxyribozymes (d'après Saidur, Aziz, and Basirun 2017)</td><td>37</td></tr><tr><td>Figure 23 : Biocapteurs basés sur la formation de complexes stables entre base nucléique et ion métallique (d'après Saidur, Aziz, and Basirun 2017)</td><td>37</td></tr><tr><td>Figure 24 : Principe technologique d'une puce à ADN développée par l'IPBS (Université de Toulouse)</td><td>39</td></tr><tr><td>Figure 25 : Schéma illustrant la sélection et la synthèse de peptides affines par la méthode Phage Display (Bazin)</td><td>40</td></tr><tr><td>Figure 26 : Cavité spécifique de la molécule cible au sein du polymère</td><td>41</td></tr><tr><td>Figure 27 : Les méthodes d'évaluation d'une contamination dans l'environnement</td><td>50</td></tr><tr><td>Figure 28 : Sources d'émanations atmosphériques d'origine anthropique (Wehrenfennig et al. 2013)</td><td>56</td></tr><tr><td>Figure 29 : Cycle enzymatique à l'origine de la détection du formadéhyde</td><td>57</td></tr><tr><td>Figure 30 : Principe des bioessais à cellule entière génétiquement modifiée</td><td>58</td></tr><tr><td>Figure 31 : Principe des tests cellulaires in vitro basés sur l'interaction ligand/récepteur au sein d'une cellule, à l'origine du test CALUX</td><td>64</td></tr><tr><td>Figure 32 : Représentaiton schématique du cycle du mercure dans l'environnement</td><td>71</td></tr><tr><td>Figure 33 : Schéma représentant le principe du biocapteur basé sur un composé magnétique de CoFe2O4@Ag enroulé autour de nanotubes de carbone</td><td>72</td></tr></table>
Cette étude menée par le bureau d'étude ASCONIT et l'École des Mines d'Alès a été mandatée par l'association RECORD dans le but d'établir un état de l'art concernant la conception et le développement des biocapteurs à usages environnementaux sur différentes matrices (gaz, liquides et solides). Plusieurs études ont été menées sur des sujets connexes ces dernières années, témoignant à la fois de l'intérêt des industriels, gestionnaires et chercheurs pour le sujet mais aussi de leurs interrogations quant aux réelles perspectives pour l'évaluation environnementale.

En cours de route, il est apparu que le CTV Allenvi<fnref n="1" />, centre de ressources et d'expertise de l'Alliance nationale de recherche pour l'Environnement, avait également lancé une première étude prospective sur les biocapteurs à usages environnementaux et dans le domaine de l'agriculture et l'agroalimentaire, conduite par Julie Carimalo, chef de projet en intelligence économique. Par souci d'efficacité et pour plus de cohérence face aux personnes ressources rencontrées, ces deux études ont été mutualisées à partir de juillet 2017.

Les principales difficultés rencontrées concernent :

- l'acquisition d'informations sur les produits développés et/ou commercialisés à l'étranger en Europe, et plus encore aux USA, en Australie et en Asie ;

- la littérature scientifique faisant état de développement de biocapteurs, qui est foisonnante, mais dans laquelle

- le stade de maturité technologique n'est pas toujours précisé ;

- les travaux décrits ne concernent qu'un segment de la technologie (i.e. le biorécepteur, l'amélioration de l'immobilisation du biorécepteur,...) ou un stade bien en amont du développement d'un biocapteur au sens strict du terme ;

- l'usage environnemental de la technologie développée n'est qu'une perspective qui n'a pas été validée par des tests sur échantillons naturels ;

- la confidentialité de certaines données surtout lorsque le produit est dans la phase de validation terrain à large échelle qui précède son déploiement et sa commercialisation ;

- l'extrême technicité du sujet et la grande variabilité des connaissances scientifiques et techniques requises dès que l'on cherche à comprendre précisément les spécificités techniques de chaque type de biocapteurs.

Nous espérons néanmoins que ce rapport répondra aux questions qui ont motivé cette étude et qu'il apportera un éclairage nouveau ou au moins étayé sur les biocapteurs et leurs usages environnementaux.

<footnote n="1">¹ Le CTV Allenvi fédère la recherche publique française sur les questions environnementales, et notamment sur l'alimentation, l'eau, le climat et la qualité environnementale des territoires.</footnote>
# I. Contexte et Objectif de l'étude

## 1. Contexte historique et économique

Les premiers biocapteurs ont été conçus en 1967 (Mehrotra 2016). Aujourd'hui, le marché global des biocapteurs a été estimé à 12 milliards de dollars en 2015, tous usages confondus (Bahadır and Sezgintürk 2015). Ce marché connait une forte croissance : + 11,5 % en 2016, selon une étude Frost & Sullivan.

Cependant, ce marché est largement porté par le segment du diagnostic médical qui mobilise près de 90% des biocapteurs, plus particulièrement celui de la surveillance de la glycémie (85% des biocapteurs) avec environ une centaine de modèles de biocapteurs à glucose commercialisés. Le premier biocapteur commercialisé, l'a été en 1973 par la société américaine Yellow Springs Instruments. Il permettait la mesure du glucose. Les États-Unis hébergent encore le plus grand nombre de sociétés commercialisant ces biocapteurs (Figure 1), qui ont aujourd'hui bien d'autres applications médicales : détection de marqueurs du fonctionnement cardiaque, de certains cancers, de pathologies dentaires, diagnostic de maladies inflammatoires, cardiovasculaires, neurodégénératives, d'infections virales ou encore détection de drogues ou étude cinétique médicamenteuse (Mehrotra 2016).

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 1 : Répartition sociétés commercialisant des biocapteurs pour la détection du glucose</figcaption></figure>

En dehors du médical, les principaux biocapteurs concernent les segments de la sécurité industrielle, en particulier agroalimentaire (détection de pathogènes, de pesticides, de métaux toxiques, etc., dans les denrées alimentaires) et de la surveillance environnementale (Mehrotra 2016)..

Bien que plus modeste, le marché de la surveillance environnementale pourrait présenter un taux de croissance supérieur à la moyenne du marché, entre 13 et 15 % selon l'étude Frost & Sullivan (Rivollet et Serre, 2015). Il est lui-même dominé par le marché de la mesure de la Demande Biologique en Oxygène (DBO) c'est-à-dire de la contamination organique dans l'environnement.

Le premier biocapteur microbien destiné à la mesure de DBO fut commercialisé par Nisshin Denki (Electric) Co. Ltd. en 1983. Depuis d'autres biocapteurs ont été développés principalement par des sociétés américaines et européennes. Ils permettent d'obtenir un résultat en 1 à 40 minutes contre 5 jours par la méthode traditionnelle au laboratoire. La limite inférieure de détection est de 0 à 20 mg d'oxygène/L en fonction des appareils et la limite supérieur est de 22 à 1000 mg d'oxygène/L en général, pouvant atteindre 5000 mg d'oxygène/L (Bahadır and Sezgintürk 2015).
Bahadir and Sezgintürk (2015) rapportent que 17 sociétés commercialisent des biocapteurs permettant la détection de polluants comme les nitrates, les dioxines et les composés dioxine-like ou encore *Escherichia coli* dans l'eau ou les sols. La répartition de ces sociétés dans le monde est illustrée par la Figure 2 : Répartition des sociétés commercialisant des biocapteurs à usage environnementauxFigure 2 ci-dessous :

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 2 : Répartition des sociétés commercialisant des biocapteurs à usage environnementaux</figcaption></figure>

Enfin, il existe des marchés marginaux comme celui de la biodéfense (détection spécifique en temps réel d'agents représentant une menace biologique : bactéries, toxines, virus), ou de la recherche (identification et localisation d'analytes dans les plantes).

La Figure 3 résume les marchés potentiels ciblés par les biocapteurs commercialisés dans le monde.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 3 : Marchés visés par les biocapteurs commercialisés dans le monde (d'après Bahadir and Sezgintürk 2015)</figcaption></figure>
Ces quelques rappels historiques et chiffres-clés permettent de comprendre que le secteur de la recherche s'intéresse depuis de nombreuses années à la conception et au développement de biocapteurs dans tous les domaines où leurs propriétés essentielles (performance analytique, simplicité d'usage, usage in situ,...) peuvent présenter un net avantage par rapport aux méthodes traditionnelles.

## 2. Objectifs de l'étude

Cette étude vise à réaliser un état de l'art concernant la conception et le développement des biocapteurs à usages environnementaux sur différentes matrices (gaz, liquides et solides). Les résultats doivent apporter des éléments descriptifs détaillés sur les différentes technologies développées ou en cours de développement à l'échelle internationale : principe technologique, molécules détectées, robustesse, sensibilité, spécificité, avantages et inconvénients d'ordre scientifique, technique, mais aussi économique, par rapport aux méthodes analytiques classiques.

Enfin pour chaque type de biocapteurs étudiés, le niveau de maturité de la technologie et ses applications seront analysés et mises en perspectives dans le but d'identifier les perspectives de recherche.

Les données doivent permettre de réaliser une analyse prospective permettant aux membres de RECORD et aux destinataires du rapport et du webinaire en général de mieux appréhender le paysage des biocapteurs et ainsi d'adapter leur stratégie.

La réunion de lancement qui a eu lieu le 13 janvier 2017 a permis de préciser le périmètre de l'étude. Il a été convenu que les biocapteurs concernant le domaine de l'écotoxicologie et le domaine médical ne seraient pas considérés. Les biocapteurs à usage industriel pourront être pris en compte lorsque leur usage impacte in fine la qualité des rejets.

Les premiers résultats ont été présentés au cours de la réunion intermédiaire du 28 avril 2017, d'où a émergé le besoin de replacer les biocapteurs au sein de toutes les méthodes biologiques d'évaluation de l'environnement existantes. Des recherches plus approfondies concernant les biocapteurs développés pour la détection de certaines molécules comme les perturbateurs endocriniens, les éléments traces métalliques et le mercure en particulier, les hydrocarbures, les composés chlorés et phénolés et le glyphosate et ses métabolites ont été demandées. Les premiers résultats de ces recherches complémentaires ont été abordés lors de la réunion téléphonique intermédiaire du 4 juillet 2017.

Le présent rapport final compile l'ensemble des éléments recueillis au cours de l'étude. Il est l'objet de la réunion de restitution du 30 novembre 2017.

# II. Méthodologie

## 1. Les différentes étapes de l'étude

L'étude s'est essentiellement organisée selon deux phases de durée équivalente. Dans un premier temps, nous nous sommes attachés à réunir les publications académiques concernant les biocapteurs à usage environnemental. Cette bibliographie a été analysée afin de :

- définir et décrire les différents types de biocapteurs,

- préciser les avantages et inconvénients de chacun d'entre eux,

- identifier les équipes et organismes de recherche travaillant sur le sujet et les pays concernés,

- cibler les personnes ressources à interroger,

- enfin, faire une analyse bibliométrique de ces publications afin d'en tirer une première vision du paysage de la recherche académique concernant les biocapteurs.

Au cours d'une deuxième phase, qui a coïncidé avec la mutualisation de nos travaux avec ceux du CTV Allenvi, nous avons :
- précisé la place des biocapteurs au sein des méthodes biologiques d'évaluation de l'environnement,

- réalisé 21 entretiens téléphoniques et 11 en présentiel, destinés à croiser les informations et les opinions de différents interlocuteurs (chercheurs, dirigeants de start-ups, utilisateurs potentiels, gestionnaires, spécialistes de la métrologie),

- affiner nos recherches bibliographiques afin d'identifier les biocapteurs développés pour la détection des molécules d'intérêt choisies (perturbateurs endocriniens, éléments traces métalliques et le mercure en particulier, hydrocarbures, composés chlorés et phénolés, glyphosate et ses métabolites),

- participé à 2 séminaires : XXIe Rencontre transfrontalière de capteurs et biocapteurs (Montpellier, 21-22 septembre 2017) et Atmos'Fair, pollution de l'air extérieur et intérieur, (Lyon, 10-11 octobre 2017) afin de collecter des informations et d'aller à la rencontre des personnes directement impliquées,

- analysé les éléments recueillis afin de rédiger le rapport final.

## 2. Le recueil des publications

Notre première tâche fut donc de recueillir les publications les plus pertinentes pour notre sujet à partir de trois bases documentaires : Scopus, Science direct et Thomson Reuters (Figure 4). Afin de limiter la présence d'articles concernant les biocapteurs à usage médical qui sont de loin les plus nombreux, nous avons systématiquement associés les mots clés « Biosensor(s) » & « environment ». Nous avons complété nos recherches en associant « Bioreceptor(s) » & « environment ».

Les bases de données Scopus et Science direct ont permis de distinguer les articles de synthèse qui ont été exploités à la fois d'un point de vue statistique pour définir les caractéristiques principales de l'état de la recherche sur les biocapteurs et comme source de données techniques.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 4 : Méthodologie d'analyse des données bibliographiques</figcaption></figure>
## 3.Les entretiens

### a. Concepteurs de biocapteurs

Des entretiens ont été conduits avec des chercheurs identifiés d'une part à travers leurs publications, leur implication dans des projets de recherche européens ou ANR ou parce qu'ils dirigent des sociétés concevant et/ou commercialisant des biocapteurs ou des technologies voisines. La liste de ces personnes ressource a été enrichie des contacts donnés à Julie Carimalo, chargée de mission CTV Allenvi, par Gérald THOUAND (Univ. Nantes, laboratoire GEPEA) et Jean-Louis MARTY (UPVD, laboratoire IMaGES) qui sont les experts directement impliqués dans l'étude menée par le CTV Allenvi. Enfin cette liste a été complétée par Ingrid Bazin (Les Mines d'Alès). Elle est présentée en annexe 1.

### b. Les Sociétés d'Accélération du Transfert de Technologies (SATTs) et sociétés de transfert

Le CTV Allenvi s'est chargé de contacter la plupart des SATTs de France (Tableau 1) ainsi que certaines sociétés de transfert. La plupart des informations étant confidentielles, nous ne reviendrons pas sur ces projets en cours de maturation.

<table><caption>Tableau 1 : Liste des SATT et aperçu des projets déposés concernant les biocapteurs (au sens large)</caption><thead><tr><td>SATT</td><td>Région</td><td>Projets</td><td>Polluants ciblés</td><td>Matrice visée</td></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">Lutech</td><td rowspan="2">Ile-de-France</td><td rowspan="2">1 projet de bioessais dans les domaines de l'agronomie et 2 dans celui de l'environnement</td><td>Biocides, herbicides, PE, métaux lourds</td><td>Eau de mer</td></tr><tr><td>Molécules carcinogènes et PE</td><td>Eau de mer</td></tr><tr><td>SATT Nord</td><td>Hauts-de-France</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>SATT GE</td><td>Bourgogne-Franche-Comté</td><td>2 projets dans le domaine de la santé et 2 dans le domaine de l'environnement (confidentiels)</td><td></td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">Pulsalys</td><td rowspan="2">Auvergne-Rhône-Alpes</td><td>1 projet</td><td>COV</td><td>Air intérieur collectif et industriel</td></tr><tr><td>2 projets</td><td>Qualité globale, Métaux, toxines</td><td>Eau</td></tr><tr><td>AxLR</td><td>Occitanie</td><td>2 projets respectivement dans les domaines de l'agronomie et de l'environnement</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Grand-Centre</td><td>Auvergne-Rhône-Alpes</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Toulouse Tech Transfert</td><td>Occitanie</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sud-Est</td><td>PACA</td><td>Forte implication sur la thématique capteur</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Conectus</td><td>Alsace</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Saclay</td><td>Ile-de-France</td><td>2 biocapteurs en cours de maturation dans le domaine de la santé</td><td></td><td></td></tr><tr><td>IdF Innov</td><td>Ile-de-France</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>SATT</td><td>Région</td><td>Projets</td><td>Polluants ciblés</td><td>Matrice visée</td></tr></thead><tbody><tr><td>Ouest Valorisation</td><td>Bretagne</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Linksium</td><td>Alpes</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Aquitaine Science Transfert (AST)</td><td>Nouvelle Aquitaine</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

### c. Les entreprises impliquées dans le suivi environnemental

Cinq sociétés implantées sur le marché du diagnostic de la qualité environnementale et /ou les analyses de micropolluants ont été contactées dans le but de savoir si elles utilisaient ou avaient connaissance de l'existence de biocapteurs :

* LECES

* Eurofins

* SGS Multilab

* NKE instrumentation

* Laboratoire Phytocontrol

Aucune ne nous a rapporté utiliser ni même connaitre de biocapteurs commercialisés.

### d. Les organismes et services de l'État impliqués dans l'innovation

Des organismes de gestion impliqués dans le soutien à l'innovation et aux nouvelles technologies dans le domaine de l'environnement ont également été contactés :

* Agence Française de biodiversité (AFB), plus particulièrement les personnes participants au groupe de travail « métrologie » du Ministère (MEDDE),

* L'Environmental Technology Vérification (ETV), un organisme de validation des performances de technologie<fnref n="2" />.

Les technologies ayant fait l'objet d'une vérification sont accessibles sur le site de l'ETV (https://ec.europa.eu/environment/ecoap/etv/documents/165_en), classées dans l'une des trois catégories suivantes :

* Energy Technologies

* Materials, Waste & Resources

* Water Treatment & Monitoring

Cependant, à ce jour, aucun biocapteur n'a été évalué par le CTV à ce jour.

* Le laboratoire national de référence pour la surveillance des milieux aquatiques (AQUAREF) et le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE)

Au total, 32 entretiens ont été conduits. Lors de ces entretiens, le contexte de l'étude a été systématiquement présenté ; ensuite, une conversation libre concernant le produit ou la thématique de recherche de la personne contactée a été engagée ; enfin, nous nous sommes attachés à recueillir son opinion sur le marché et l'avenir de la technologie.

Les informations recueillies lors de ces entretiens ont été intégrées au présent rapport, à partir du moment où elles étaient diffusables.

## 4. Les programmes de recherche nationaux et européens

### a. Les projets ANR

<footnote n="2">² Me Nathalie Guigues, chef de projet Qualité des Eaux, Direction Métrologie Scientifique et Industrielle/Pôle Chimie Biologie, Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE), nous a précisé que la procédure proposée par l'ETV est actuellement, en Europe, une bonne alternative à la certification, pour les entreprises, car elle est plus simple et les frais qu'elle engendre peuvent être éligibles dans le cadre de financements européens et nationaux (FUI, PIA).</footnote>
Parmi les 59 projets concernant les biocapteurs financés par l'ANR depuis 2005, seuls 8 concernent un usage environnemental de la technologie (Annexe 2).

b. Les projets financés par l'ADEME

Au cours des dernières années, de nombreux projets sur la thématique « sites et sols pollués » ont contribué au développement de nouveaux outils et méthodes destinés à améliorer les diagnostics environnementaux des sites et sols pollués. Certaines de ces méthodes sont basées sur des approches biologiques mais aucun biocapteur n'a été développé au cours de ces projets.

c. Les projets H2020

Les informations sur les projets Horizon 2020 sont disponibles et téléchargeables depuis le portail des données ouvertes de l'UE :
https://data.europa.eu/euodp/fr/data/dataset?q=cordis&ext_boolean=all&sort=views_total+desc

L'analyse des bases de données compilant les projets de R&I financés par l'Union européenne dans le cadre des Framework Programmes for Research and Technology Development (FP7 sur la période 2007-2013 et FP8, dit H2020, sur la période 2014-2020), a permis de recenser respectivement 209 et 79 projets impliquant le développement de biocapteurs. La répartition des domaines pour lesquels ces recherches ont été menées sont illustrées par la Figure 5.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 5 : Répartition des domaines d'application des biocapteurs développés au sein des projets de recherche H2020 sur la période 2014-2017</figcaption></figure>

Les projets dits « fondamentaux » sont ceux pour lesquels l'objectif appliqué n'était pas clairement identifiable à la lecture du résumé.

Au total, 6 projets financés dans le cadre du programme H2020 sur la période 2014-2017, concernent les biocapteurs à usages environnementaux (annexe 3).

### III. Ce que nous apprend la bibliométrie

#### 1. Analyse descriptive de la bibliographie

Les bases de données Scopus, Sciences Direct et Thomson Reuters ont été interrogées sur la base des 3 mots clés (« Biosensor* & environnement » et « Bioreceptor* & environnement ») sur la période 2005-2017. Cette interrogation a permis d'identifier 5 520 articles, dont 93 articles de synthèse. Plusieurs bases ayant été interrogées, il existe un grand nombre de doublons, c'est-à-dire d'articles mentionnés deux ou trois fois. Le nombre d'articles d'intérêt pour l'étude est donc plus proche de
2 000. Ce fond documentaire a été complété par des articles récents, très ciblés, fournis par Ingrid BAZIN.

Le nombre de publication par année concernant les biocapteurs appliqués l'environnement (Figure 6) augmente régulièrement depuis 2005 tout comme le nombre de publications scientifiques traitant des biocapteurs en général.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 6 : Distribution des documents par années de publication</figcaption></figure>

Au total 64 journaux ont publié les 93 articles de synthèse concernant les biocapteurs, biorécepteurs et l'environnement depuis 2005. Les références de ces 93 articles sont consignées en annexe 4. La plupart, sans surprise, dans les revues *Biosensors et Bioelectronics, Analytical and Bioanalytical Chemistry et Analytica Chimica Acta* (Figure 7)
<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 7 : Distribution des articles de synthèse par revue</figcaption></figure>
## 2.Contribution des pays et organismes de recherche dans le domaine des biocapteurs

Quelle que soit la matrice considérée, les pays qui contribuent le plus aux recherches dans le domaine des biocapteurs sont la Chine, les USA et la Corée du sud. Les Figure 8 et Figure 9 illustrent la répartition des pays ayant publiés des articles sur les biocapteurs développés pour un usage respectivement dans l'air et le sol.

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 8 : Nombre de publications par pays concernant l'air et le sol, de 2005 à 2017</figcaption></figure>
Le Japon se montre aussi dynamique que ces 3 pays dans le domaine des biocapteurs enzymatiques. l'Espagne dans celui des biocapteurs électrochimiques et la France pour les biocapteurs fluorescents et/ou les immunocapteurs (Figure 9 et Figure 10).

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 9 : Nombre de publications par pays concernant les biocapteurs fluorescents et/ou les immunocapteurs, de 2005 à 2017</figcaption></figure>

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 10 : Nombre de publications par organismes de recherche concernant les biocapteurs fluorescents et/ou les immunocapteurs, de 2005 à 2017</figcaption></figure>

Bien que les pays impliqués ne soient pas beaucoup plus nombreux, le nombre d'équipes travaillant sur la conception de biocapteurs électrochimiques est nettement plus important (Figure 11 et Figure 12).
<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 11 : Nombre de publications par pays concernant les biocapteurs électrochimiques, de 2005 à 2017</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 12 : Nombre de publications par organismes de recherche concernant les biocapteurs électrochimiques, de 2005 à 2017</figcaption></figure>
# IV. Définition et classification des biocapteurs

## 1. Définition

La définition d'un biocapteur a été donnée par l'International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC).

Il s'agit d'un appareil autonome et intégré, capable de fournir une mesure spécifique, quantitative ou semi-quantitative, d'un analyte, par le moyen d'un élément biologique de reconnaissance, directement en contact avec un élément de transduction.

Il s'agit d'un appareil autonome et intégré, capable de fournir une mesure spécifique, quantitative ou semi-quantitative, d'un analyte, par le moyen d'un élément biologique de reconnaissance, directement en contact avec un élément de transduction.

Il est composé de 3 éléments (Bazin et al. 2017) (Figure 13) :

* un élément de reconnaissance biologique (enzyme, anticorps, brin d'ADN...),

* un transducteur capable de transformer le signal détecté en une donnée lisible et quantitative ou semi-quantitative,

* un élément capable de présenter facilement et utilement cette donnée.

Un biocapteur doit, en outre,

* être réutilisable,

* fournir des résultats indépendamment des paramètres physico-chimiques (pH, T°...),

* fournir des résultats sans ajout d'autres réactifs ou sans prétraitement de l'échantillon,

* intégrer les deux composants principaux (récepteurs et transducteurs) dans un même dispositif petit et portatif.

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 13 : Éléments constitutifs d'un biocapteur (Hassani et al. 2017)</figcaption></figure>
**Remarque** : Les abus de langage sont nombreux et il est fréquent de trouver dans la littérature des bioessais ou des tests à usage unique (bandelette de mesure) considérés comme des biocapteurs. Or ces technologies sont respectivement, mises en œuvre au laboratoire, et non réutilisables, ce qui est incompatible avec la définition d'un biocapteur. Il est également fréquent que le terme de biocapteur soit utilisé, alors que l'une au moins des caractéristiques fondamentales qui le définissent fasse défaut, dès lors que la technologie peut évoluer vers la conception d'un biocapteur. Ces technologies, même au stade de bioessais, offrent souvent déjà des capacités analytiques intéressantes. Enfin, il arrive parfois que le terme de « biocapteur » soit improprement associé avec une méthode permettant la détection et la quantification d'un organisme biologique.

## 2. Classification : les différents types de biocapteurs

Les biocapteurs peuvent être classés en trois groupes en fonction de la nature de leur récepteur (Mehrotra 2016) :

* **Groupe micro-organisme** : Ce groupe comprend les biocapteurs microbiens ou cellulaires ou encore tissulaires (utilisant des membranes ou des organites cellulaires). Précisons que, dans ce cas, la cellule se comporte à la fois comme récepteur et transducteur (Amaro et al. 2011).

* **Groupe catalytique basé sur l'emploi d'enzymes** : Les plus couramment utilisées étant les oxydoréductases, les polyphénol-oxydases, les peroxydases ou les aminooxydases.

* **Groupe basé sur la bioaffinité entre molécules** : Anticorps/antigènes, entre acides nucléiques, entre les hormones et leur récepteur... Ce groupe comprend donc les immunocapteurs et les biocapteurs à ADN.

La nature biologique du biorécepteur implique la présence d'eau. Ceci explique la relative abondance des biocapteurs développés pour cette matrice par rapport à ceux qui concernent l'air ou les sols. La plupart des biocapteurs qui ont été développés pour une mesure dans l'air, à une exception près, fonctionnent en fait à l'interface air/eau. Quant à la matrice sol ou solides pollués, une étape d'extraction des molécules polluantes est la plupart du temps nécessaire.

On peut classer également les biocapteurs en fonction de la nature du signal émis par le récepteur et capté par le transducteur (Mehrotra 2016):

* **Biocapteurs électrochimiques** (ampérométrique, potentiométrique, conductométrique et impédimétrique). Un biocapteur électrochimique est un appareil dans lequel le récepteur est intégré dans ou intimement associé à une électrode (Badihi-Mossberg, Buchner, and Rishpon 2007). C'est la raison pour laquelle ils se prêtent particulièrement bien à la miniaturisation et donc à la conception d'appareils destinés à un usage sur site (Bahadır and Sezgintürk 2015).

Deux techniques sont fréquemment utilisées :

* la voltamétrie à onde carrée (SWV pour Square Wave Voltammetry)

* la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS pour Electrochemical impedance spectroscopy).

La sensibilité, la spécificité et la stabilité du biocapteur est fonction de la méthode d'immobilisation du biorécepteur à la surface du transducteur, en particulier du type de liaisons mises en œuvre : adsorption, encapsulation, liaison covalente, liaison ionique, polaire, hydrogène ou interaction hydrophobe (constitution d'une ou 2 couches auto-assemblées de lipides). Autant d'éléments qui introduisent une grande diversité (Hassan et al. 2016).

* **Biocapteurs optiques** : Le signal émis est un faisceau lumineux. Plusieurs types de biocapteurs optiques peuvent être distingués en fonction des propriétés physiques du faisceau lumineux exploitées : absorption lumineuse, fluorescence/phosphorescence, bio/chemiluminescence, réflectance, réfraction, diffusion Raman. Les techniques optiques mobilisées sont les fibres optiques, les guides d'ondes optiques, la résonance plasmonique de
surface (SPR pour Surface Plasmon Resonance) ou encore le transfert d'énergie entre
molécules fluorescentes (FRET pour Förster ou Fluorescent Resonance Energy Transfer).

* **Biocapteurs magnétiques** : Ils sont capables de détecter un effet de magnétorésistance, généralement induit par la présence de micro ou nano particules.

* **Biocapteurs thermiques ou calorimétriques** : C'est le changement de température induit par la présence de la molécule cible qui entraine un changement de la résistance du transducteur.

* **Biocapteurs mécaniques** : Ils sont capables de mesurer le changement de fréquence de résonance d'un cristal induit par son changement de masse. Ce changement de masse se produit lorsque la molécule cible se lie à la surface sensible, elle-même déposée à la surface du cristal. Ce changement de fréquence peut être mesuré par :

* une microbalance de cristal de quartz ;

* un appareil mesurant les ondes acoustiques de surface.

La Figure 14 illustre les différents types de biorécepteurs et de transducteurs pouvant être associés pour constituer un biocapteur.

Selon Hassan et al. (2016), la classification des biocapteurs est réalisée à la fois en fonction de la nature du transducteur et de celle du récepteur (enzyme, anticorps, cellule entière, acide nucléique). L'association entre un type de biorécepteur et un type de transducteur n'est pas aléatoire. Elle dépend de la nature du biorécepteur et de l'objectif du biocapteur (molécule(s) recherchée(s), matrice, usage). L'affinité entre les différents types de biorécepteurs et transducteurs est traitée dans le chapitre 3.
## BIORECEPTEUR

### à cellule entière

⇒ Microorganisme procaryote
(bactéries) ou eucaryote (levures,
algues, protozoaires)

⇒ Cellules d'insectes, de mammifères,
etc...

### catalytique

⇒ Enzymes, souvent synthétisées par
génie biologique

⇒ Site actif enzymatique

⇒ Nanozymes (constituées de
nanomatériaux)

⇒ Ribozymes et Désoxyribozymes
(enzymes dotées d'un site de
reconnaissance spécifique lié à leur
activité catabolique de l'ARN ou de
l'ADN

### par affinité

⇒ Anticorps/antigène

⇒ Acides nucléiques complémentaires

⇒ Aptamère

⇒ Hormone/récepteur

⇒ Séquence peptidique

⇒ Acide nucléique peptidique
(molécule synthétique analogue de
l'ADN, dans laquelle le ribose est
remplacé par une molécule de
polyamide

⇒ Polymères à empreinte moléculaire
(MIPs)

## TRANSDUCTEUR

### électrochimique

⇒ Ampérométrique

⇒ Potentiométrique

⇒ Conductométrique

⇒ Voltamétrique (par ex : Square wave
voltametry SWV)

⇒ Impédimétrique (Spectroscopie
d'impédance électrochimique (EIS))

### optique

⇒ Spectrophotomètre

⇒ Fibre optique

⇒ Résonance des plasmons de
surface (SPR)

⇒ Surface-enhanced Raman
spectroscopy (SERS)

⇒ Spectroscopie optique sur guide
d'onde modal (OWLS)

⇒ Fluorescence à réflexion totale
interne (TIRF)

⇒ Interféromètre Mach Zehnder

### magnétique

### thermique

### Mécanique / piezoélectrique

⇒ Résonnance à onde (cristal de
quartz)

⇒ Microsystèmes électromécaniques
(BioMEMS)

<caption>Figure 14 : Différents types de biorécepteurs et transducteurs (d'après Mehrotra 2016)</caption>
Selon Bahadır and Sezgintü (2015), les transducteurs optiques sont les plus employés dans la conception des biocapteurs pour un usage environnemental autre que la mesure de la DBO, actuellement commercialisés. (Figure 15).

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 15 : Répartition des types de transducteurs parmi les biocapteurs commercialisés pour un usage environnemental autre que la mesure de la DBO</figcaption></figure>

### 3.Les biocapteurs d'effets

Les biocapteurs constituent une méthode fondée sur un élément de reconnaissance biologique permettant de mesurer qualitativement ou quantitativement la présence d'un polluant dans l'environnement. Bien qu'elle présente, entre autres, certains avantages liés à sa composante biologique, cette méthode est donc plus une méthode d'évaluation et de mesure de la contamination que de ses effets sur les organismes vivants. Néanmoins il existe des **biocapteurs d'effets** qui exploitent parfaitement cette composante biologique et permettent d'identifier des molécules parfois chimiquement très différentes mais qui ont le même effet sur le biorécepteur, qu'elle que soit sa nature (cellule entière, enzyme, récepteur...). À titre d'exemple :

- certains métaux et pesticides agissent sur la photosynthèse et peuvent être détectés par les biocapteurs algaux (biocapteurs à cellules entières) ;

- les perturbateurs endocriniens (œstrogènes, composés phénolique dont le phénol, le bisphenol A, les catéchols et les crésols, certains pesticides,...) sont en général reconnus par un même récepteur membranaire (Alkasi, Ornatska, and Andreescu 2012) ;

- les pesticides organophosphorés ou de la famille des carbamates, certains métaux lourds, la nicotine ou encore certaines toxines sont inhibiteurs de la cholinestérase et peuvent donc être détectés par les biocapteurs intégrant cette enzyme (Andreescu 2009et al.) ;

- des molécules entrainant une oxydation de la tyrosinase comme le 2,4-D, l'atrazine ou les composés phénoliques (Andreescu et al. 2009) peuvent être détectés et mesurés par des biocapteurs enzymatiques intégrant cette enzyme.

- des composés dits « dioxin-like » (dioxines, furanes, HAPs, PCBs...) sont capables de se lier au récepteur des hydrocarbures aromatiques (AhR – Aryl hydrocarbon receptor), également appelé récepteur de la dioxine, et d'induire une cascade d'événements toxiques allant jusqu'aux effets carcinogènes (Ait-Aissa 2009). Le récepteur AhR peut donc être détourné pour mettre en évidence et mesurer la quantité de ces molécules dans un échantillon.

Les biocapteurs d'effets sont également très utiles pour mettre en évidence des effets cocktails, si fréquents dans l'environnement (Maser and Xiong 2010).
# V. Les biocapteurs adaptés à la surveillance environnementale

## 1.Biocapteurs à cellule entière

Les biocapteurs à cellule entière ont en commun d'être très sensibles à la biodisponibilité des molécules cible ainsi qu'à leur génotoxicité qui ne se révèle parfois qu'après métabolisation intracellulaire (Amaro et al. 2011). Différents types de cellules peuvent être utilisées :

* les microorganismes procaryotes (les bactéries) ;

* les microorganismes eucaryotes (levures, algues, protozoaires) ;

* les cultures cellulaires d'organismes supérieurs.

### a. Les biocapteurs microbiens

Les techniques électrochimiques et optiques sont les plus utilisées pour les biocapteurs microbiens (Hassan et al. 2016).

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 16 : Schéma d'un biocapteur microbien (Naoufel Haddour, com. pers.)</figcaption></figure>

### i.Biocapteurs microbiens à transduction électrochimique

* Les biocapteurs microbiens ampérométriques

Une réaction d'oxydoréduction du métabolite à la surface de l'électrode active génère un courant électrique entre l'électrode active et l'électrode de référence.

Cette technologie est la plus largement développée et la plus fréquemment utilisée pour la mesure de la DBO. Hassan et al. (2016) recensent cinquante-deux biocapteurs dont certains sont capables de détecter des composés comme le phénol, le benzène et leurs dérivés.

* Les biocapteurs microbiens conductimétriques (Hassan et al. 2016)

L'activité métabolique des bactéries, et en particulier la production ou la consommation d'ions, induit une modification de la conductivité de la solution.

Cette technologie ne nécessite pas d'électrode de référence ; elle est donc particulièrement adaptée à la miniaturisation et est peu coûteuse. En revanche, elle est peu spécifique, car tous les ions présents dans le milieu peuvent potentiellement influencer la mesure.

* Les biocapteurs microbiens potentiométriques

L'activité bactérienne, en particulier les réactions d'oxydoréduction de la matière organique, induit une modification de la différence de potentiel entre les deux électrodes. (Hassan et al. 2016)

Cette technologie est employée dans un biocapteur permettant la détection rapide et sélective d'antibiotiques de la famille des Céphalosporines.

C'est aussi le principe technologique du biocapteur développé et commercialisé par la société ENOVEO (http://enoveo.com/technologies/biocapteurs/).
Plusieurs rencontres avec Mr Sibourg, gérant d'ENOVEO, ont permis de préciser quelques caractéristiques du biocapteur NODE, développé par la société.

Le biocapteur NODE est un **biocapteur microbien** permettant la mesure de la qualité de l'eau **en temps réel** sur les **environnements aquatiques naturels** (nappes phréatiques, sols, rivières, lacs) et **industriels** (bioprocédés, réseau urbains, stations d'épuration, surveillance de nappes phréatiques à risque). Son fonctionnement repose sur la conversion, par les bactéries **naturellement présentes dans un milieu**, de l'énergie chimique en énergie électrique. Les micro-organismes dégradent la matière organique et génèrent un signal électrique proportionnel à la quantité de substrat présent. L'appareil est autonome énergétiquement et modulable en fonction de l'usage et du milieu étudié.

<figure><img src="image_21.png" /></figure>

## Conversion de l'énergie chimique directement en électricité par les bactéries

Ce biocapteur est capable de donner instantanément une mesure quantitative de la DBO là où les techniques de laboratoire nécessitent 5 jours (DBO5). Sa limite de détection est de l'ordre de 10 mg/L d'oxygène dissous, soit environ 10 fois supérieure à la limite de détection atteinte par les méthodes traditionnelles. Cette limite est cependant compatible avec les applications visées.

C'est aussi un système d'alerte en cas d'évolution soudaine de la charge organique (ex : pollution accidentelle) ou de la présence de tout toxique ayant un impact sur l'activité bactérienne (antibiotiques, certains pesticides, toxines...) et sur la qualité de l'eau.

Ses applications sont :

* La mesure en continue de la DBO dans le cadre de la gestion des eaux usées. À titre d'exemple des essais ont été mis en œuvre dans des réseaux urbains, déversoirs d'orage, ou en amont de stations d'épuration pour mesurer la charge organique et adapter le traitement avant le rejet vers l'exutoire naturel ;

* La surveillance des eaux souterraines : Le biocapteur est utilisé comme système d'alerte détectant dans un délai très rapide (<10 minutes) des contaminations accidentelles ou diffuses. Toutefois, il est probable que le biocapteur NODE ne puisse pas détecter une seule molécule comme un solvant chloré sauf si ce solvant est accompagné d'autres molécules et que la charge organique globale de la contamination modifie la réponse des bactéries.

* La surveillance des eaux de surface continentale.

Dans sa forme actuelle, ce biocapteur ne permet pas une application dans le domaine du contrôle qualité des eaux potabilisables.
Contrairement aux analyses en laboratoires accrédités, ce type de mesure in situ et en temps réel n'est pas une méthode normée validée pour la surveillance des effluents en sortie d'usine de traitement, le biocapteur est donc plutôt utilisé pour la gestion interne des procédés. Les utilisateurs sont essentiellement les collectivités locales et les industriels. Il est précisé cependant que la société ENOVOE est actuellement dans une démarche de certification ETV (Environmental Technology Verification : http://www.verification-etv.fr/) de ce biocapteur.

Selon Mr Sibourg, il n'y a pas de technologie concurrente utilisant des bactéries naturellement présentes dans le milieu. Il existe une technologie proche développée par la société LAR, utilisé pour la surveillance d'usines de traitement des eaux usées, qui permet la mesure de l'O₂ dissous (DBO) en quelques minutes (https://www.lar.com/cn/news-display/article-management/detail-view/news/fast-online-bod-measurements.html).

Néanmoins l'appareil développé est loin d'être aussi compact et autonome. Selon le site web de la société LAR, il s'agit d'un outil d'alerte pour la détection de polluants toxiques dans les eaux potables et de surface. La méthode ne permet pas d'identifier le ou les toxiques en présence mais sera sensible aux éventuels effets cocktails.

* Les biocapteurs microbiens voltamétriques (Hassan et al. 2016)

Les électrodes mesurent le courant et la différence de potentiel induit par l'activité bactérienne. Cette technologie offre la possibilité de mesurer plusieurs composés à l'origine de différences de potentiel variées. Une étape préliminaire de concentration permet de gagner en sensibilité mais l'appareil n'est alors théoriquement plus considéré comme un biocapteur.

## ii. Les piles à combustible microbiennes (PACMs)

Le principe des piles microbiennes repose sur le fait que des micro-organismes adhérés à des surfaces conductrices sont capables de connecter leur métabolisme à ces surfaces. Ces micro-organismes peuvent ainsi oxyder une grande variété de molécules organiques, en produisant de l'énergie utile pour leur croissance et le maintien de leur métabolisme. Leur utilisation dans les piles à combustible microbiennes transforme une partie de cette énergie en électricité. On peut par conséquent utiliser comme combustible des PACMs toute sorte de matières organiques des plus simples (glucose, acétate, carbohydrates...) aux plus complexes (cellulose, mélasses...) mais aussi des déchets organiques contenus dans les eaux des stations d'épuration, des déchets agricoles (laiteries, lisiers...), des déchets domestiques et tout type de substrats fermentescibles. Les PACMs permettraient d'assurer une double fonction: produire de l'électricité tout en intensifiant les procédés de traitement des effluents par accélération de la dégradation de la matière organique. (Ketep 2012). Les piles microbiennes ne sont donc pas des biocapteurs mais découlent du même principe technologique. C'est la raison pour laquelle de nombreuses équipes de recherche s'orientent vers le développement de PACMs qui semble offrir plus de débouchés (production d'hydrogène, traitement des effluents, biorémédiation) que la conception de biocapteurs (Jaffrezic N., com. pers.). Des PACMs ont été développées pour alimenter en électricité des capteurs environnementaux placés dans des zones difficilement accessibles (eaux souterraines, sites isolés) (Ketep 2012).

## iii. Biocapteurs microbiens à transduction optique

La transduction optique permet théoriquement le screening haut débit en autorisant la détection de plusieurs molécules au cours de la même analyse (Hassan et al. 2016). Les propriétés optiques les plus couramment utilisées dans la conception de biocapteurs microbiens sont l'absorption (biocapteurs colorimétriques permettant par exemple la détection de l'arsenic), la fluorescence, la phosphorescence et la bioluminescence.

La fluorescence, la phosphorescence et la bioluminescence sont trois formes de luminescence, toutes naturelles et constitutives. La luminescence est une émission de lumière froide (par opposition à l'incandescence qui est une émission de lumière chaude) par interaction entre particules électriquement chargées. Fluorescence et phosphorescence sont deux formes de luminescence qui diffèrent par la durée d'émission post excitation (plus longue pour la phosphorescence). La bioluminescence est la production et l'émission de lumière par un organisme vivant via une réaction au cours de laquelle l'énergie chimique est convertie en énergie lumineuse. Par exemple Vibrio fischeri renferme naturellement un gène qui code pour la luciférase, enzyme qui catalyse l'oxydation de longues chaines d'acides gras, phénomène à l'origine de l'émission de la fluorescence bleu/vert
(λ=490 nm). Ce phénomène a pu être reproduit par génie génétique en associant le gène codant pour la luciférase à un autre gène.

Il existe aussi des bactéries bioluminescentes, capable de synthétiser la Green Fluorescent Protein (GFP). Ce gène codant pour la GFP est intégré au génome des microorganismes et associé à un gène d'intérêt. En présence de la molécule cible, deux mécanismes peuvent avoir lieu :

- un mécanisme in vivo : en présence de la molécule cible, le gène d'intérêt est activé et la GFP est produite ce qui génère la fluorescence des microorganismes ;

- un mécanisme in vitro : le métabolisme bactérien modifie le milieu ce qui entraîne la production de GFP et la fluorescence.

Selon Hassan et al. (2016) des biocapteurs basés sur cette technologie permettent la détection de Naphtalène, tributylétain, Acides organiques halogénés dans l'eau ou de métaux lourds (Ni, Co, Cu) dans les sols.

Asif et al. (2016) mentionnent l'existence d'un biocapteur fluorescent pour la détection de métaux lourds (Hg, Pb et Zn) dans l'eau. Ce biocapteur contient des bactéries *Escherichia coli* recombinantes dont le génome a intégré un gène d'alerte codant pour une GFP.

Les biocapteurs microbiens fluorescents sont généralement faciles à construire avec des technologies moléculaires simples. Ils sont stables et utilisables pour des expositions à long terme. Ils présentent également l'avantage d'être sensibles à de faibles concentrations (de l'ordre du milli-molaire). Ils sont pénalisés par un délai de réponse un peu long lié au délai entre la production de la GFP et l'apparition de la fluorescence.

## b. Les biocapteurs à levures

Le principe technologique est illustré par la Figure 17 ci-dessous : L'exposition des levures aux métabolites déclenche une réponse biologique mesurable comme l'altération de l'ADN, l'activité d'un gène ou une réaction métabolique. Cette réponse biologique est traduite en un signal qui est amplifié et mesuré par un transducteur.

L'avantage fondamental des biocapteurs à levures par rapport aux biocapteurs microbiens est lié au fait que les levures sont des cellules eucaryotes plus proches du comportement d'un organisme pluricellulaire et pouvant accueillir des gènes de vertébrés (Jarque et al. 2016). C'est la raison pour laquelle plusieurs biocapteurs intégrant des récepteurs nucléaires spécifique de perturbateurs endocriniens ont été développés. Il convient cependant de garder à l'esprit qu'une réponse positive n'est pas directement transposable à un organisme eucaryote, du fait de la complexité des mécanismes de régulation *in vivo* ; elle permet seulement d'identifier un risque potentiel. Plus accessoirement la durée de vie et la robustesse des biocapteurs à levure est supérieure à celle des biocapteurs microbiens, ce qui peut être intéressant dans le cadre de la mesure de la DBO.

Les biocapteurs à levures sont utilisés sur diverses matrices : sols, air, eau et échantillons biologiques.
<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Figure 17 : Principe technologique du biocapteur à levure (d'après Jarque et al. 2016)</figcaption></figure>

Les molécules cibles sont :

* des molécules ayant le même mécanisme toxique : perturbateurs endocriniens (glucocorticoïdes, rétinoïdes, molécules hormono-mimétiques...), des molécules organiques oxydables (mesure de la DBO), des molécules génotoxiques, des métaux...

* des molécules très ciblées comme le cuivre (certaines souches de levures présentent naturellement un marqueur de cuivre), le tributylétain ou le bisphénol A.

Bien que possible, la détection ciblée d'une molécule ne semble pas toujours la plus pertinente et représentative de la toxicité du milieu du fait de la fréquence des cocktails de polluants dans les échantillons naturels.

La Figure 18 ci-dessous rend compte de l'abondance des méthodes déjà développées pour la détection de polluants environnementaux (Jarque et al. 2016). Cependant ces méthodes ne sont pas encore optimisées pour une utilisation *in situ* et ne peuvent être considérées comme des biocapteurs *sensu stricto*.

Les limites de détection de ces méthodes sont de l'ordre du micromolaire pour les éléments traces métallique (ETM), le groupe des composés cytotoxiques ou génotoxiques, les molécules organiques oxydables, et de l'ordre du nanomolaire pour les perturbateurs endocriniens. Elles sont considérées comme encore assez élevée.

Les levures peuvent être employées pour la caractérisation du potentiel œstrogénique de substances (modèle YES pour yeast estrogens screen) et, dans une moindre mesure, celui des matrices environnementales. Les tests sur matrice environnementale souffrent néanmoins de leur plus faible sensibilité et de leur forte sensibilité aux composés cytotoxiques. Ces tests sur levure présentent l'avantage d'être plus facile à mettre en œuvre que les autres tests comparables effectués sur culture de cellules humaines mais ils sont moins fiables en raison de différences notables de la biologie cellulaire des levures par rapport à celle des cellules de mammifères. Néanmoins de nouvelles versions de ces tests semblent plus sensibles et permettraient un usage environnemental (Aït-Aïssa and Creusot 2014). Deux bioessais permettant de déterminer le pouvoir œstrogénique, respectivement dans l'eau et dans les eaux usées sont actuellement en cours de normalisation ISO.
<table><thead><tr><th>Pollutant Group</th><th>Detected Compound(s)</th><th>Receptor/ Gene</th><th>Detection</th><th>LoD (Range µM)</th><th>Ligand</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">Metals</td><td rowspan="4">Copper</td><td rowspan="4">CUP1</td><td>Amperometry</td><td>0.11–500</td><td rowspan="4">Copper</td></tr><tr><td>Colorimetry</td><td>1</td></tr><tr><td>Fluorescence</td><td>0.5</td></tr><tr><td>Luminescence</td><td>0.5</td></tr><tr><td rowspan="3">Cadmium</td><td rowspan="3">AtPCS1</td><td rowspan="3">Fluorescence</td><td rowspan="3">0.2</td><td rowspan="3">Cadmium</td></tr><tr><td>Heavy metals</td><td>cAMP-PKA</td></tr><tr><td>Fluorescence</td><td>12–45</td></tr><tr><td rowspan="10">Endocrine disruptors</td><td>Thyroids</td><td>TR</td><td>Luminescence</td><td>3.7 × 10<sup>-3</sup></td><td rowspan="3">T<sub>3</sub></td></tr><tr><td rowspan="2">Retinoids</td><td rowspan="2">RXR</td><td>Colorimetry</td><td>0.5 × 10<sup>-3</sup></td></tr><tr><td>Luminescence</td><td>0.01</td></tr><tr><td rowspan="2">RXR/RAR</td><td rowspan="2">Colorimetry</td><td rowspan="2">0.06</td><td rowspan="2">9cRA</td></tr><tr><td>TBT</td></tr><tr><td>Tributyltin</td><td>RXR-ER</td><td>Luminescence</td><td>0.06</td><td>9cRA</td></tr><tr><td rowspan="4">Androgens</td><td rowspan="4">hAR</td><td>Colorimetry</td><td>0.2 × 10<sup>-3</sup></td><td>DHT</td></tr><tr><td>Luminescence</td><td>0.05 × 10<sup>-3</sup></td><td>T</td></tr><tr><td>Luminescence</td><td>0.5 × 10<sup>-3</sup></td><td>DHT</td></tr><tr><td>Fluorescence</td><td>3 × 10<sup>-3</sup></td><td>DHT</td></tr><tr><td rowspan="5">Estrogens</td><td rowspan="5">hER hER hERα hERβ hERα</td><td>Colorimetry</td><td>0.01 × 10<sup>-3</sup></td><td rowspan="5">E2</td></tr><tr><td>Fluorescence</td><td>0.03 × 10<sup>-3</sup></td></tr><tr><td>Luminescence</td><td>0.03 × 10<sup>-3</sup> to 0.04 × 10<sup>-3</sup></td></tr><tr><td>Luminescence</td><td>0.04 × 10<sup>-3</sup></td></tr><tr><td>Amperometry</td><td>0.03 × 10<sup>-3</sup> 1 × 10<sup>-3</sup></td></tr><tr><td>Progestagens</td><td>PR</td><td>Fluorescence</td><td>0.1 × 10<sup>-3</sup> to 1</td><td>PG</td></tr><tr><td>Dioxin-like</td><td>AhR</td><td>Colorimetry</td><td>0.3 × 10<sup>-3</sup></td><td>TCDD</td></tr><tr><td rowspan="2">Glucocorticoids</td><td rowspan="2">GR</td><td>Fluorescence</td><td>5 × 10<sup>-3</sup></td><td>β-NF</td></tr><tr><td>Amperometry</td><td>0.5</td><td>Budesonide</td></tr><tr><td rowspan="2">Metabolic disruptors</td><td rowspan="2">PPARγ PPARγ antagonism</td><td>Amperometry</td><td>0.01</td><td>GI262570</td></tr><tr><td>Colorimetry</td><td>0.1</td><td>Rosiglitazone</td></tr><tr><td>Bisphenol A</td><td>BPA-R</td><td>Luminescence</td><td>0.11</td><td>BPA</td></tr><tr><td>Serotonin</td><td>HTR1A</td><td>Fluorescence</td><td>10</td><td>5-HT</td></tr><tr><td rowspan="6">Genotoxins</td><td rowspan="6">NA</td><td>RAD54</td><td>Fluorescence</td><td>50–90</td><td rowspan="6">MMS</td></tr><tr><td>RNR2</td><td>Fluorescence</td><td>3–50</td></tr><tr><td>RNR3</td><td>Fluorescence</td><td>10</td></tr><tr><td>PLM2</td><td>Fluorescence</td><td>50</td></tr><tr><td>DIN7</td><td>Fluorescence</td><td>50</td></tr><tr><td>HUG1P</td><td>Fluorescence</td><td>3–45</td></tr><tr><td rowspan="3">Cytotoxins</td><td>Inhibitors of respiratory system</td><td>Cell respiratory system</td><td>Amperometry</td><td>0.8–1.2</td><td>KCN</td></tr><tr><td>ROS inducers</td><td>SOD1</td><td>Fluorescence</td><td>0.1</td><td>Menadione</td></tr><tr><td>General cytotoxins</td><td>NA</td><td>Luminescence</td><td>NA</td><td>NA</td></tr><tr><td>Biodegradable organics</td><td>NA</td><td>NA</td><td>Amperometry</td><td>39–206</td><td>BOD</td></tr></tbody></table>

<caption>Figure 18 : Bioessais intégrant des levures pour la détection de polluants environnementaux (Jarque et al. 2016)</caption>

<footnote>ªAbbreviations: 5-HT, 5-hydroxytryptamine (serotonin); 9cRA, 9-cis-retinoic acid; β-NF, β-naphthoflavone hydrocarbon receptor; AtPCS1, phytochelatin synthase from Arabidopsis thaliana; BOD, biochemical oxygen demand; BPA, bisphenol A; BPA-R, bisphenol A receptor; DHT, dihydrotestosterone; E2, estradiol; ER, estrogen receptor; glucocorticoid receptor; hAR, human androgen receptor; hER, human estrogen receptor; HTR1A, 5-hydroxytryptamine receptor 1A; KCN, potassium cyanide; LoD, limit of detection; MMS, methylmethane sulfonate; NA, not applicable; progesterone; PPAR, peroxisome proliferator-activated receptor; PR, progesterone receptor; T<sub>3</sub>, triiodothyronine; RAR, retinoid A receptor; RXR, retinoid X receptor; ROS, reactive oxygen species; TB, testosterone; TCDD, 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin.</footnote>
### c. Les biocapteurs algaux

Les enzymes (phosphatases alcalines, estérases, catalases) de surface de la cellule algale ont une activité perturbée en présence de polluant, mesurable par un transducteur optique (mesure de la fluorescence chlorophyllienne qui est affectée en général augmentée lorsque la cellule est perturbée). Le développement de biocapteurs implique l'immobilisation des cellules algales, ce qui peut impacter énormément la sensibilité de la méthode. À titre d'exemple, des techniques d'encapsulation dans des billes d'alginates ou dans une matrice de silice semblent être des techniques prometteuses (Durrieu 2014).

De tels biocapteurs sont des outils d'alarme (information qualitative) car ils permettent la détection *in situ*, en continu et en temps réel, de la présence de cocktails de polluants (HAP, pesticides, ETM). Ils peuvent être particulièrement pertinents pour la surveillance et le monitoring de milieux aquatiques vulnérables, d'exutoires de réservoirs d'orage ou de sites d'infiltrations d'eaux urbaines (Gosset, Ferro, and Durrieu 2015).

Les biocapteurs algaux présentent plusieurs avantages par rapport aux autres types de biocapteurs à cellule entière :

* les cellules algales, naturellement fluorescentes, ne nécessitent pas de modification génétique et sont donc plus résistantes, adaptées aux conditions de terrain et utilisables *in situ*, contrairement aux organismes génétiquement modifiés dont l'usage sur le terrain est réglementé (Claude Durrieu, com. pers.);

* les algues constituent le premier maillon de la chaine trophique et sont donc de bonnes indicatrices des perturbations potentielles de tout l'écosystème.

Les principaux inconvénients sont :

* leur sensibilité relativement faible,

* leur spécificité qui peut être diminuée par la présence de nutriments qui peut biaiser les résultats,

* la nécessité d'une lumière spécifique pour la mise en œuvre de cette technologie.

Le biocapteur FLUOTOX, développé par la société IFETURA-eu (ARNATRONIC) et commercialisé par le bureau d'étude ASPECT Service Environnement, est un biocapteur algal permettant de détecter rapidement, à de très faibles teneurs (de l'ordre du µg/l) et de manière continue de certains herbicides (atrazine, diuron,...). L'appareil réalise l'excitation des algues microscopiques chlorophylliennes et fait le relevé de leur fluorescence. Il éclaire à l'aide d'une lumière bleue, modulée à 500Hz, des algues telles que les *Scenedesmus Subspicatus*. Ces algues immobilisées sur une membrane filtrante placée dans le courant d'eau à tester émettent de la fluorescence. Le signal de fluorescence recueilli par une photocellule associée à un filtre infrarouge est envoyé au système électronique (Figure 19).

L'appareil se présente sous la forme d'un boitier relativement volumineux destiné à être installé *in situ* dans les usines de potabilisation de l'eau. Une brochure de présentation est proposée en annexe 5.
<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Figure 19 : Schéma représentant le principe fonctionnel du Fluorotox (Arnatronic)</figcaption></figure>

d. Les biocapteurs intégrant d'autres compartiments biologiques

Un bioessai, basé sur l'utilisation d'une souche génétiquement modifiée de *Tetrahymena thermophila*, un protozoaire cilié a été développé (Amaro et al. 2011). Le génome de ce protozoaire intègre un gène codant pour la luciférase associé à un gène codant pour une métallothionéine. Cette technique s'avère être une méthode plus sensible que les autres biocapteurs cellulaires eucaryotiques et procaryotiques ; elle a fait l'objet de 2 brevets (P200901622 and P200901621 du Spanish Office of Patents, Ministerio de Industria, Turismo y Comercio).

2.Biocapteurs intégrant des biorécepteurs ayant des propriétés catalytiques

De nombreux polluants comme le parathion, les nitrates ou le formaldéhyde peuvent être détectés par des enzymes catalytiques (sulfite parathion hydrolase, nitrate réductase, formaldéhyde déshydrogénase). C'est l'induction ou l'inhibition de l'activité de ces enzymes (dans le cas des pesticides ou des métaux toxiques) qui est mesurée. Le signal transmis est, le plus souvent, de nature électrochimique (biocapteurs potentiométriques ou ampérométriques) ou optique (Badihi-Mossberg, Buchner, and Rishpon 2007).

Liu, Zheng, and Li (2013) ont compilé de nombreux exemples de développement de biocapteurs électrochimiques destinés à la détection et la quantification de diverses molécules de pesticides. Les quarante-et-un biocapteurs cités associent majoritairement des biorécepteurs enzymatiques à un transducteur électrochimique. Deux d'entre eux seulement sont basés respectivement sur un anticorps et un polymère à empreinte moléculaire (cf tableau en annexe 6).

Cependant, ces biocapteurs enzymatiques se révèlent peu stables et particulièrement sensibles aux variations de pH ou de température ou encore à la présence de certaines molécules inhibant l'activité enzymatique, rendant les conditions d'utilisation limitantes. C'est ce qui a motivé le développement d'enzymes recombinantes et d'enzymes ayant un site enzymatique modifié. Plus récemment, ont été développés des enzymes artificielles, constituées de nanomatériaux, dont la principale caractéristique est d'offrir un ratio surface/volume plus important. Ces enzymes voient ainsi leurs propriétés catalytiques (sensibilité) et de reconnaissance (spécificité) nettement majorées. Leurs nombreuses
autres vertus (faible coût, facilité de production, stabilité) sont, néanmoins, plutôt exploitées pour la détection des toxines dans le domaine médical (Mehrotra 2016) ou de toxines cyanobactériennes (cyanotoxines) en milieu marin (Bazin et al. 2017).

Les techniques d'immobilisation des enzymes à la surface du transducteur influent également beaucoup sur la spécificité, la sensibilité, la stabilité des biocapteurs, ainsi que sur leur coût.

### 3.Biocapteurs intégrant des biorécepteurs ayant une affinité vis-à-vis de la molécule cible

De nombreux mécanismes biologiques reposent sur la complémentarité et l'affinité entre molécules. Ce sont ces propriétés qui peuvent être détournées pour concevoir des biorécepteurs et secondairement des biocapteurs. Plusieurs travaux de recherche sont actuellement conduits, exploitant la diversité des molécules impliquées dans ces mécanismes biologiques.

#### a. Affinité de type anticorps/antigène

* Les anticorps sont fréquemment utilisés pour la détection de mycotoxines (deoxynivalenol (DON), aflatoxines...) et de certaines cyanotoxines mais ils présentent souvent plusieurs limites comme leur faible stabilité ou encore leur tendance à l'agrégation et la rétention en fonction de la température. Les travaux conduits ces deux dernières décades ont donc logiquement abouti à la mise au point d'anticorps recombinants, constitués uniquement de la portion variable de l'anticorps impliquée dans la reconnaissance de l'antigène. De plus ces anticorps recombinants sont obtenus par action enzymatique ou de phages. Leur production est rapide et ne nécessite donc pas d'expérimentation animale (production in vitro). Leurs capacités de combinaison avec la cible sont sensiblement améliorées. Ils sont employés pour la détection des toxines fongiques, bactériennes ou de tétrodotoxine (Bazin et al. 2017). À l'avenir, ces technologies impliquant les anticorps recombinants seront mobilisées dans la création de biorécepteurs de nouvelle génération capables de détecter des toxines présentes dans des milieux variés comme les aliments (mycotoxines), l'eau de mer (phycotoxines) ou l'environnement (Bazin et al. 2017).

* D'autres procédés basés sur l'affinité anticorps/antigène ont été récemment développés :

* la multimérisation des complexes chaines lourdes + légères d'acides aminés formant le site variable de l'anticorps qui permet d'augmenter la sensibilité des immunoessais ;

* la constitution de complexes formés d'anticorps recombinant (complexes chaines lourdes + légères d'acides aminés formant le site variable de l'anticorps), d'ARN messager et de ribosomes, utilisés pour la détection d'antigènes (Figure 20).

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>Figure 20 : Complexe anticorps recombinant - ARNm - ribosome (d'après Bazin et al. 2017)</figcaption></figure>

* Des anticorps à lourde chaine ont été isolés chez des Camélidés. Ils sont caractérisés par un domaine variable particulier et appelé nanocorps (nanobodies). Ils sont robustes et stables. Des fragments de nanocorps (quelques paires d'acides aminés et le domaine variable) ont pu être utilisés pour la confection de biocapteurs pour la détection de toxines dans le domaine de l'environnement et de la sécurité alimentaire
(mycotoxines). Des nanocorps recombinants peuvent être créés, dotés de capacités majorées de détection de petites molécules comme les toxines (Bazin et al. 2017). Ces nanobodies peuvent également être intégrés dans des immunocapteurs électrochimiques destinés à la détection d'ETM ou de petites molécules comme les pesticides ou les médicaments (C. Nanteuil, Klearia, com. pers.)

* Les essais immunochromatographiques ne sont pas des biocapteurs au sens strict du terme car ils nécessitent l'addition de réactifs. Ils se présentent sous la forme d'une bandelette réactive simple d'utilisation. Cette technologie est peu coûteuse et permet d'obtenir un résultat en peu de temps car les étapes préliminaires d'incubation et de préparation de l'échantillon ne sont pas nécessaires. Ces immunoessais permettent, en outre, une lecture du résultat à l'œil nu, les rendant adaptés à un usage médical, environnemental ou pour la surveillance des aliments. De nombreux tests de diagnostic rapide à usage médical ont été développés et commercialisés sur ce principe technologique. Dans le domaine de l'environnement, les immunoessais développés sont plus rares (Tableau 2) (Liu, Zheng, and Li 2013).

<table><caption>Tableau 2 : Exemples de tests immunographique sur bandelette développés (d'après Liu, Zheng, and Li 2013)</caption><thead><tr><td>Méthode</td><td>Nature de l'élément de reconnaissance</td><td>Molécule cible</td><td>Matrice</td><td>Limite de détection/temps d'analyse</td></tr></thead><tbody><tr><td>Immuno-chromatographie sur bandelette</td><td>Anticorps conjugué à une protéine marquée avec des nanoparticules d'or</td><td>Atrazine</td><td>Eau</td><td>1 ppb/5 min</td></tr><tr><td>Immuno-chromatographie sur bandelette</td><td>Anticorps conjugué à des particules de carbone</td><td>Thiabendazole</td><td>Eau<br>Liquides alimentaires</td><td>0.25 ppb (usage semiquantitatif)/10 min<br>0.11-4.13 ppb (gamme de détection quantitative)</td></tr><tr><td>Disque digital versatile</td><td>Anticorps</td><td>4 pesticides + 1 antibiotique</td><td>Eau</td><td>0.06 ppb (atrazine),<br>0.25 ppb (chlorpyrifos),<br>0.37 ppb (metolachlor),<br>0.16 ppb (sulfathiazole),<br>0.1 ppb (tetracycline)</td></tr><tr><td>Biocapteur immuno-chromatographique fluorescent</td><td>Anticorps</td><td>3,5,6-trichloropyridinol</td><td>Eau</td><td>1 ppb/15 min (gamme d'application de 1 à 50 ppb)</td></tr><tr><td>Bandelette colorimétrique</td><td>Enzyme (AChE)</td><td>Organophosphorés, carbamates, toxines</td><td>Eau</td><td>Usage semiquantitatif<br>27.5 ppb (paraoxon),<br>0.31 ppb (aflatoxine B1)/5 min</td></tr><tr><td>Bandelette intégrant tous les réactifs</td><td>Enzyme</td><td>Pesticides</td><td>Liquides alimentaires</td><td>nMolaire</td></tr></tbody></table>
b. Affinité de type acide nucléique/brin complémentaire

*Les aptamers sont des acides nucléiques (ADN ou ARN) synthétiques, présentant de forte capacités de liaison avec différents types d'analytes (Bazin et al. 2017). Leur production a lieu in vitro et ne nécessite pas le recours à la culture cellulaire, à la différence de la production d'anticorps classiques, ce qui autorise la production d'aptamers contre des molécules hautement toxiques ou faiblement immunogènes. Ce procédé de production est par ailleurs plus facile et moins coûteux et rend actuellement possible la production d'aptamers ciblés contre des ions, des acides aminés, des peptides, des protéines, des virus et des cellules entières comme des bactéries. Des aptacapteurs, couplant aptamers et différents types de transducteurs (optique ou électrochimique) ont été développés pour la détection de toxines bactériennes, de cyanotoxines et de mycotoxines. Bazin et al. (2017) en ont recensé quinze (Figure 21). Récemment de nouvelles technologies ont été développées pour permettre de détecter plusieurs mycotoxines en même temps.

<table><caption>Aptamers for mycotoxins and toxins.</caption><thead><tr><th>Aptamer type</th><th>Target toxin</th><th>Technique involved in bosensor</th><th>Reference</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="10">DNA</td><td>OTA</td><td>Impedimetric Electrochimiluminescence</td><td>Cruz-Aguado and Penner, 2008, Rivas et al., 2015; Yang et al., 2015b, 2015a</td></tr><tr><td>Aflatoxin M1</td><td>Electrochemical</td><td>Malhotra et al., 2014; Nguyen et al., 2013</td></tr><tr><td>Fumonisin B1</td><td>Colorimetric and Chemiluminescence</td><td>McKeague et al., 2010; Hosseini et al., 2015</td></tr><tr><td>Zearalenone</td><td>indirect competition enzyme-linked oligonucleotide assay (ELONA)</td><td>Chen et al., 2013; Wang et al., 2015b</td></tr><tr><td>Microcystine LR</td><td>Colorimetric, voltammetric, electrochemical</td><td>Lin et al., 2013; Li et al., 2016; Eissa et al., 2014;</td></tr><tr><td>Okadaic Acid</td><td>Voltammetric, direct competitive enzyme-linked aptamer assay (ELAA). ELISA</td><td>Eissa et al., 2013; Gu et al., 2016</td></tr><tr><td>Saxitoxin</td><td>Electrochemical, fluorescence resonance energy transfer (FRET)</td><td>Zheng et al., 2015; Handy et al., 2013</td></tr><tr><td>Enterotoxin</td><td>Electrochemical<br/>Electrochemical, impedance</td><td>Bruno and Kiel, 2002; Deng et al., 2014; Wu et al., 2013</td></tr><tr><td>Toxin A</td><td>Electrochemical</td><td>Luo et al., 2014</td></tr><tr><td>Endotoxin</td><td>Electrochemical, quantum dots (QD) fluorescence detection</td><td>Ding et al., 2009; Bai et al., 2014; Su et al., 2013, 2012</td></tr><tr><td>Brevetoxins (BTXs)</td><td></td><td>Eissa et al., 2015</td></tr><tr><td rowspan="4">RNA</td><td>Botulinum neurotoxin</td><td></td><td>Tok and Fischer, 2008, Wei and Ho, 2009; Wei et al., 2011; Fetter et al., 2015; Bogomolova and Aldissi, 2015</td></tr><tr><td>Shiga Toxins</td><td></td><td>Challa et al., 2014</td></tr><tr><td>Botulinum neurotoxin.</td><td>surface plasmon resonance</td><td>Chang et al., 2010; Janardhanan et al., 2013;</td></tr><tr><td>microcystin-LR</td><td></td><td>Hu et al., 2012</td></tr></tbody></table>

Figure 21 : Caractéristiques principales (type d'aptamer, molécule cible et type de transducteur) des quinze aptacapteurs recensés par Bazin et al. (2017)

*Les acides nucléiques peptidiques (PNA pour Peptides Nucleic Acids) sont des molécules analogues synthétiques de l'ADN dans lesquelles l'architecture de ribose est remplacée par une architecture de polyamide. Ces PNA sont capables de s'hybrider avec l'ADN et l'ARN et peuvent ainsi mettre en évidence la présence d'espèces cible. Cette technologie a été utilisée pour développer des microessais où des biocapteurs capables de mesurer la production de toxines bactériennes (Escherichia coli) ou d'Alexandrium sp. (Dinoflagellé) (Bazin et al. 2017).

*Les ribozymes et les deoxyriozymes sont des enzymes ayant une activité catabolique respectivement de l'ARN et de l'ADN. Elles ont la particularité d'être dotées d'un site de reconnaissance spécifique d'une molécule cible, distinct mais lié à leur activité catabolique. Ainsi la présence de la molécule cible régule la catalyse de la molécule d'ARN ou d'ADN. Cette propriété est exploitée pour la conception de biorécepteurs pour la détection de métabolites, antibiotiques, toxines comme le ricin dans le domaine médical et agroalimentaire. Dans le domaine de l'environnement, cette technologie est employée pour la détection de petites molécules organiques et est également pertinente pour la détection des métaux qui ont la propriété de favoriser l'activité catalytique des deoxyriozymes (Saidur, Aziz, and Basirun 2017) (Figure 22). Ces biorécepteurs sont souvent associés à des transducteurs fluorescents, colorimétriques ou électrochimiques (Bazin et al. 2017; Saidur, Aziz, and Basirun 2017).
<table><caption>Figure 22 : Biocapteurs basés sur la séparation de molécules d'ADN par action catalytiques des desoxyribozymes (d'après Saidur, Aziz, and Basirun 2017)</caption><thead><tr><th>Electrode material</th><th>Analyte HM</th><th>Signal amplification technique</th><th>Electrochemical technique</th><th>Electrochemical Redox indicator</th><th>LOD</th><th>Linear range</th><th>Reference</th></tr></thead><tbody><tr><td>Gold</td><td>Pb<sup>2+</sup></td><td></td><td>DPV</td><td>MB</td><td>300 nM</td><td>0.5–10 µm</td><td>Xiao et al. (2007)</td></tr><tr><td>Gold</td><td></td><td></td><td>DPV</td><td>Fc</td><td>0.25 nM</td><td>0.5 nM–5 µm</td><td>Zhang et al. (2016)</td></tr><tr><td>Gold</td><td></td><td>AuNPs based bio barcode</td><td>DPV</td><td>[Ru(NH<sub>3</sub>)<sub>6</sub>]<sup>3+</sup></td><td>1 nM</td><td>5 nM–0.1 µm</td><td>Shen et al. (2008)</td></tr><tr><td>Gold</td><td></td><td>AuNPs based amplification</td><td>CC</td><td>[Ru(NH<sub>3</sub>)<sub>6</sub>]<sup>3+</sup></td><td>0.028 nM</td><td>0.1 nM–0.035 µm</td><td>Yang et al. (2010b)</td></tr><tr><td>Magnetic Beads</td><td></td><td>RCA amplification</td><td>SWSV</td><td>MB</td><td>7.8 pM</td><td>0.01 nM–1.0 µm</td><td>Tang et al. (2013)</td></tr><tr><td>Gold</td><td>Cu<sup>2+</sup></td><td></td><td>SWV</td><td>Fc</td><td>20 nM</td><td>20 nM–600 µm</td><td>Li et al. (2010)</td></tr><tr><td>AuNPs/Gold</td><td></td><td></td><td>SWV</td><td>Fc</td><td>0.1 pM</td><td>0.1 nM–10 µm</td><td>Chen et al. (2011)</td></tr><tr><td>GNCs</td><td></td><td></td><td>EIS</td><td>Fe(CN)<sub>6</sub><sup>4-/3-</sup></td><td>0.0725 nM</td><td>0.1 nM–400 nM</td><td>Hu et al. (2016)</td></tr><tr><td>Gold</td><td>UO<sub>2</sub><sup>2+</sup></td><td>HCR signal amplification</td><td>SWV</td><td>MB</td><td>20 pM</td><td>0.05 nM–4 nM</td><td>Yun et al. (2016)</td></tr></tbody></table>

•L'affinité des métaux lourds et leur capacité à se lier à certaines bases nucléiques, formant des paires de bases stables (complexes Thymine-Hg<sup>2+</sup>- Thymine ou Cytosine-Ag<sup>+</sup>-Cytosine) ou modifiant la conformation des séquences d'ADN, sont à l'origine de la conception de plusieurs biocapteurs à ADN intégrant différentes techniques de transduction (Saidur, Aziz, and Basirun 2017) (Figure 23).

<table><thead><tr><th>Strategy</th><th>Analyte HM</th><th>Electrode material</th><th>Electrochemical technique</th><th>Electrochemical indicator</th><th>Limit of detection (LOD)</th><th>Linear range</th><th>References</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">Simple approach</td><td rowspan="2">Hg<sup>2+</sup></td><td>Gold</td><td>DPV</td><td rowspan="2">[Ru(NH<sub>3</sub>)<sub>6</sub>]<sup>3+</sup></td><td>60 pM</td><td>0.2–1 nM</td><td>Wu et al. (2010b)</td></tr><tr><td>RGO/GCE</td><td>CV, EIS, DPV</td><td>5 nM</td><td>8 nM–0.1 µm</td><td>Zhang et al. (2013)</td></tr><tr><td rowspan="4">Ag<sup>+</sup></td><td rowspan="4">CPE and AuNPs/ CPE</td><td>SPGE</td><td>CV</td><td>Fc</td><td>0.6 nM</td><td>10–0.001 µm</td><td>Niu et al. (2011)</td></tr><tr><td>Gold coated glass electrode</td><td>CV, EIS</td><td>GO</td><td>1 nM</td><td>1–300 nM</td><td>Park et al. (2012)</td></tr><tr><td>Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>@3D-GO/ gold</td><td>DPV</td><td>Ethyl green (EG)</td><td>0.104 nM/ 0.0264 nM</td><td>0.3–1 nM and 0.09 –1 nM</td><td>Ebrahimi et al. (2015)</td></tr><tr><td>Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>@3D-GO/ gold</td><td>CV, EIS</td><td>2.0 pM</td><td>0.01–100 nM</td><td>Yang et al. (2015)</td></tr><tr><td rowspan="5">Probe structural switch signal-on</td><td rowspan="5">Hg<sup>2+</sup></td><td>Gold</td><td>EIS</td><td rowspan="3">[Fe(CN)<sub>6</sub>]<sup>3-/4-</sup></td><td>100 pM</td><td>1 nM–1 mM</td><td>Cao et al. (2009)</td></tr><tr><td>PGE</td><td>DPV</td><td>Fc</td><td>0.1 µm</td><td>0.1–2 µm</td><td>Han et al. (2009)</td></tr><tr><td>Gold</td><td>SWV</td><td>Fc</td><td>2.5 nM</td><td>5 nM–1 µm</td><td>Zhuang et al. (2013)</td></tr><tr><td>Gold and SPGE</td><td>SWV</td><td>MB</td><td>0.1 nM</td><td>0.2–100 nM /0.2 –50 nM</td><td>Tortolini et al. (2015a)</td></tr><tr><td>Gold</td><td>DPV</td><td>MB and Fc</td><td>0.08 nM</td><td>0.5–5000 nM</td><td>Xiong et al. (2015)</td></tr><tr><td rowspan="2">Ag<sup>+</sup></td><td rowspan="2">MHA/Gold NPG/GCE</td><td>DPV</td><td rowspan="2">AQDS</td><td>1.3 nM</td><td>10–500 nM</td><td>Yan et al. (2012)</td></tr><tr><td>SWV</td><td>0.048 nM</td><td>0.1 nM–1 µm</td><td>Zhou et al. (2015)</td></tr><tr><td rowspan="3">Probe structural switch signal-off</td><td rowspan="3">Hg<sup>2+</sup></td><td>PGE</td><td>DPV, CV, EIS</td><td>Fc</td><td>0.5 nM</td><td>1 nM–2.0 µm</td><td>Liu et al. (2009c)</td></tr><tr><td>PGE</td><td>CV, DPV, EIS</td><td>Fc</td><td>0.06 nM</td><td>0.1 nM–5 µm</td><td>Wu et al. (2010a)</td></tr><tr><td>Multi metallic (Au-Ag) planar electrode</td><td>CC</td><td>RuHex</td><td>1 nM</td><td>6–1066 nM</td><td>Chen et al. (2012)</td></tr><tr><td rowspan="4">Amplification based</td><td rowspan="4">Hg<sup>2+</sup></td><td>Gold</td><td>CV</td><td rowspan="2">[Ru(NH<sub>3</sub>)<sub>6</sub>]<sup>3+</sup></td><td>10 nM</td><td>10 nM–10 µm</td><td>Miao et al. (2009)</td></tr><tr><td>Gold</td><td>SWV</td><td>0.5 nM</td><td>1 nM–0.1 µm</td><td>Zhu et al. (2009b)</td></tr><tr><td>Gold</td><td>DPV</td><td rowspan="2">[Ru(NH<sub>3</sub>)<sub>6</sub>]<sup>3+</sup></td><td>7.38 pM</td><td>0.05–2.5 nM</td><td>Tang et al. (2012)</td></tr><tr><td>ITO coated glass chip</td><td>DPV</td><td>0.2 nM</td><td>0.5 nM–20 µm</td><td>Xuan et al. (2013)</td></tr><tr><td>Ag<sup>+</sup></td><td>Gold</td><td>DPV</td><td>MB</td><td>0.03 nM</td><td>0.1–120 nM</td><td>Xu et al. (2013)</td></tr></tbody></table>

SPGE= Screen-printed gold electrode; PGE= Polycrystalline gold electrode. ITO= Indium tin oxide

<caption>Figure 23: Biocapteurs basés sur la formation de complexes stables entre base nucléique et ion métallique (d'après Saidur, Aziz, and Basirun 2017)</caption>
*Les biopuces à ADN permettent généralement d'étudier le transcriptome par l'observation simultanée de l'expression de plusieurs milliers de gènes dans une cellule ou un tissu donné, mesurant ainsi les modifications des différents états cellulaires. Concrètement, une puce à ADN est un support rigide (verre ou nylon) de quelques centimètres carrés, sur lequel de courtes séquences d'ADN ont été déposées. Ces courtes séquences sont nommées des "sondes" correspondant à des oligonucléotides de synthèse ou à des produits de PCR. Les sondes ont la particularité d'avoir été choisies de manière à être spécifique d'un seul et unique gène. Ce microdispositif est mis au contact des ARNs extraits des échantillons à analyser appelés des "cibles". Ces cibles sont marquées par incorporation de radioéléments ou de fluorochromes. Après acquisition des images d'hybridation, la quantification des signaux d'hybridation reflète le niveau d'expression de chacun des gènes représentés sur la puce (d'après le site http://www.imm.cnrs.fr/transcriptome/spip.php?rubrique11).

Les gènes se comportent donc comme des biomarqueurs potentiels de contamination (Hook et al. 2006). A la fin des années 2000, Poynton et al. ont développé une puce à ADN sur la daphnie exposée à des métaux (Poynton, Loguinov, et al. 2008; Poynton et al. 2007; Poynton, Zuzow, et al. 2008). Ces travaux ont ainsi permis d'associer un métal comme le cuivre ou le cadmium à une signature transcriptomique spécifique. En outre, des études ont montré que les niveaux de transcription d'un gène étaient souvent fonction de la concentration de la molécule étudiée (Owen et al. 2008). Le changement du niveau de transcription d'un gène est considéré comme une réponse adaptive possible de l'organisme exposé (Gentry et al. 2010). L'établissement d'un profil transcriptomique en tant que « signature » d'un contaminant au travers de la réponse d'un individu a pour but de mieux connaitre les voies métaboliques affectées et mieux évaluer ainsi la toxicité d'un polluant sur l'organisme.

Une puce ADN a été mise au point par le laboratoire de l'UMR CNRS 5805 EPOC de l'Université de Bordeaux 1. Elle permet de caractériser le profil d'exposition de l'anguille d'Europe (*Anguilla anguilla*) à divers polluants.

Mille gènes d'intérêt ont été préalablement identifiés chez l'anguille d'Europe (*Anguilla anguilla*) grâce à la caractérisation du transcriptome hépathique global d'animaux prélevés dans des sites plus ou moins contaminés (8 métaux et 25 polluants organiques ont été mesurés sur ces sites), en France et au Canada (Baillon et al. 2015, 2016). Ces gènes ont été inclus dans des puces à ADN. Une méthode non-invasive a ensuite été mise au point pour caractériser le profil d'exposition des animaux. A partir d'un échantillon de nageoire, l'ARN est extrait et amplifié. Ces séquences d'ARN sont ensuite rétrotranscrites et les séquences d'ADN complémentaire (ADNc) ainsi synthétisées sont marquées par un fluorochrome. Les puces sont enfin hybridées avec les échantillons d'ADNc issus des animaux à tester. Après incubation, elles sont lues par un scanner à très haute définition (Innoscan 710, Innopsys, France). La sur ou sous-expression des gènes chez les anguilles testées est comparée à l'expression des gènes chez des animaux de référence, issus de sites préservés, ce qui permet d'établir un profil d'expression corrélat à l'exposition des animaux.

Cette technologie peut évoluer vers la conception d'un biocapteur, notamment en associant des éléments de microfluidique, un transducteur miniaturisé permettant l'acquisition des images d'hybridation et un logiciel assurant l'analyse des images et la production des données. Les travaux réalisés au sein du laboratoire IPBS – UPS/CNRS UMR 5089 de l'université de Toulouse en sont un bon exemple (Figure 24).
**Récepteur basé sur la technique de Tethered Particle Motion** (Brevet n° FR 1057031 déposé le 3 Septembre 2010, "Biopuces pour l'analyse de la dynamique de molécules d'acide nucléique" ; extension PCT/FR2011/052004 accordée en avril 2015 ; instruction pour une extension aux USA en cours)

<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>Figure 24 : Principe technologique d'une puce à ADN développée par l'IPBS (Université de Toulouse)</figcaption></figure>

### C. Affinité liée à la configuration spatiale des molécules

*Des séquences peptides ayant une affinité pour des molécules cibles peuvent être chimiquement synthétisées et peuvent donc concerner des molécules très toxiques ou faiblement immunogènes du fait de leur petite taille, comme les toxines, le glyphosate ou son métabolite l'AMPA. De plus, elles peuvent aussi présenter des propriétés fluorescentes ou des marqueurs d'affinité les rendant aptes à la conception de biorécepteurs. Leur faible poids moléculaire les rend particulièrement stables. La production de ces séquences peptidiques est réalisée grâce à des virus bactériophages (méthode « phage display ») qui permettent de sélectionner très efficacement et d'amplifier des séquences peptidiques spécifiques de la molécule cible, dites « peptides affines » (Bazin et al. 2017). (Figure 25).
<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>Figure 25 : Schéma illustrant la sélection et la synthèse de peptides affines par la méthode Phage Display (Bazin)</figcaption></figure>

* Les protéines « scaffold », sont des protéines connues pour leur capacité à se lier à d'autres molécules et pour leur rôle de transducteur de l'information au sein de la cellule. C'est pourquoi, parmi les 50 molécules « scaffold » décrites par la littérature, quelques-unes ont déjà été testées pour le développement de biocapteurs (Bazin et al. 2017).

* Les polymères à empreinte moléculaire (Molecularly Imprinted Polymers ou MIPs) constituent une technologie évolutive qui offre des possibilités adaptées à l'amélioration des performances des biocapteurs. Elle a également d'autres applications :

* son intégration à des échantillonneurs passifs permet la rétention de molécules très polaires et hydrophiles comme le Glyphosate, ce qu'aucun des échantillonneurs passifs actuellement commercialisés ne peut faire (Puzio et al., 2014) ;

* utilisée en amont des techniques classiques comme l'HPLC, elle permet d'extraire et de préconcentrer le composé à analyser (Bazin et al. 2017).

Les biocapteurs intégrant les MIPs sont faciles à produire, peu coûteux et stables. Néanmoins, ils sont considérés comme moins spécifiques que les immunocapteurs. Ils sont souvent associés à des transducteurs piezoélectriques.

Cette technologie est particulièrement adaptée à la détection de petites molécules organiques (masse inférieure à 2000 daltons) comme les toxines ou certains pesticides. Elle a également permis le développement d'un biocapteur permettant la détection de l'œstradiol à travers un programme cofinancé par l'Union Européenne (Human Resources Development Operational Programme, project no. POSDRU/159/1.5/S/136893) (Anca et al. 2015).
Ce programme conduit entre 2007 et 2013 par l'Institut des sciences analytiques (UMR 5280 CNRS, ECBL & ENS) de l'Université de Lyon et l'Université de Médecine et Pharmacie de Roumanie a permis de créer un polymère par l'électropolymérisation de nanoparticules d'or fonctionnalisées grâce au p-aminothiophénol en présence d'œstradiol. L'œstradiol est ensuite extrait laissant des cavités dans lesquelles les molécules d'œstradiol de l'échantillon à analyser viennent se loger et restent fixées (

Figure 26).

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Figure 26 : Cavité spécifique de la molécule cible au sein du polymère</figcaption></figure>

Ce programme permettait initialement de détecter l'œstradiol ou des molécules anticancéreuses dans des échantillons biologiques mais des tests réalisés à partir d'eau du Rhône ont été concluants pour l'œstradiol. Cette technologie est très sensible : la limite de détection est de 1.09 fento-molaire et le domaine de validité de la méthode entre 3.6 fM and 3.6 nM ; La limite de détection semble être plus proche de 3.6 nM sur des échantillons d'eau de rivière. La méthode est également spécifique, reproductible et les biocapteurs, conçus sur ce principe technologique, seraient faciles et peu coûteux à fabriquer.

Les polymères à empreinte moléculaire holographiques sont aussi des technologies prometteuses (Fuchs et al. 2013) : Leur structure et donc leurs propriétés optiques changent dès fixation de l'analyte sur le polymère, ce qui conduit à une lecture directe des résultats.

## 4.Les autres technologies associées aux biocapteurs

### a.Les nanoparticules et nanomatériaux

Les nanoparticules et nanomatériaux sont des éléments dont la taille est égale ou inférieure à 100 nm et dont la surface est proportionnellement très grande. Ils se présentent sous la forme de particules, fils, tiges ou tubes et ont des propriétés mécaniques, électriques, optiques, catalytiques, magnétiques ou encore photoniques particulières (Andreescu et al. 2009). Les nanotechnologies ont accéléré significativement le développement des biocapteurs en proposant de nouvelles approches pour l'immobilisation des biomolécules, en améliorant leur biocompatibilité, et aussi en amplifiant les signaux générés par la bio-reconnaissance. Une des principales applications de ces nouvelles technologies est le diagnostic médical. En effet, grâce aux nanotechnologies, la sensibilité et la sélectivité des dispositifs sont augmentées, l'intégration de la microfluidique est devenue possible et les performances analytiques en termes de répétabilité et fiabilité sont améliorées. Enfin, la miniaturisation facilite la conception d'appareils portables et peu onéreux ce qui offre également de nouvelles perspectives dans le domaine des biocapteurs à usage environnemental (Andreescu et al. 2009).

De manière générale, l'optimisation des biocapteurs passe en partie par l'amélioration des méthodes d'immobilisation du biomatériel à la surface du transducteur. Or les nanomatériaux possèdent la plupart des propriétés permettant une immobilisation optimale des enzymes à la surface du transducteur et tous les tests effectués ont montré qu'ils amélioraient en effet la sensibilité et la spécificité des biocapteurs enzymatiques auxquels ils étaient intégrés. Ceci a été confirmé également
pour les autres types de biorécepteurs (anticorps, aptamères, ADN, ADNzyme) (Andreescu et al. 2009).

Les propriétés électriques de certains nanomatériaux, en particulier les nanoparticules semi-conductrices d'oxydes métalliques, changent en présence de certaines molécules. Ce phénomène a été exploité pour la détection ou la séparation de molécules gazeuses (Andreescu et al. 2009). Par exemple :

- la résistance électrique du dioxyde d'étain (SnO₂) augmente en présence de protoxyde d'azote (N₂O),

- l'oxyde de zinc (ZnO) est capable de détecter le monoxyde de carbone (CO) ou l'ammoniac (NH₃),

- le dioxyde de zirconium (ZrO₂) présente une affinité particulière pour les organophosphorés, il a été employé pour absorber sélectivement cette famille de pesticides et permettre leur quantification par une méthode électrochimique (SWV).

Ainsi les nanomatériaux sont particulièrement intéressants à intégrer dans la conception de biocapteurs quel que soit le domaine d'application. Toutefois, leurs effets sur la santé des écosystèmes et la santé humaine sont encore largement méconnus et méritent d'être explorés (Andreescu et al. 2009).

### b. La microfluidique

La microfluidique est la science qui traite des écoulements de liquides dans des canaux de taille micrométrique. C'est également une technologie qui permet la fabrication de dispositifs microfluidiques, notamment les puces microfluidiques. Ces puces sont constituées d'un ensemble de micro-canaux gravés ou moulés dans un matériau (verre, silicium ou polymère), ce qui leur confère des propriétés inédites, comme des caractéristiques optiques spécifiques, des compatibilités biologiques ou chimiques, la possibilité de créer des prototypes plus rapidement, de diminuer les coûts de production, la recherche d'applications précises comme la détection électrochimique, etc...
Les progrès réalisés et à venir concernant la microfluidique offrent nécessairement de nouvelles perspectives pour la conception de biocapteurs.

### c. L'électronique organique

L'utilisation de l'électronique organique (http://www.universcience.tv/video-electronique-souple-7855.html), des polymères bio-s源cés ou de l'impression 3D (Philippe Namour, com. pers.) permettent de baisser le coût du biocapteur et de diminuer son empreinte écologique, des qualités fortement recherchées par les concepteurs.

## VI. Avantages et inconvénients des biocapteurs

Les avantages et inconvénients des biocapteurs doivent pouvoir être appréciés au regard des limites des technologies existantes : méthodes analytiques traditionnelles et méthodes écotoxicologiques ou de bioindication (décrites plus loin).

Les méthodes analytiques traditionnelles sont sensibles et fiables pour la détection et la quantification de centaine de molécules mais elles présentent néanmoins plusieurs inconvénients (Liu, Zheng, and Li 2013) :

- elles sont chronophages et couteuses,

- elles sont donc mises en œuvre ponctuellement,

- elles impliquent le transport des échantillons jusqu'au laboratoire ce qui entraine un délai supplémentaire et peut biaiser les résultats,

- elles nécessitent souvent la mise en œuvre d'étapes préliminaires de concentration et préparation des échantillons ;

- elles nécessitent l'emploi de matériels coûteux et sophistiqués ainsi que la présence de main d'œuvre qualifiée,

- elles ne permettent pas d'apprécier les impacts sur les organismes et les écosystèmes,
- elles ne rendent pas compte des effets cocktail et de la biodisponibilité des polluants dans le milieu.

D'autre part, les limites des méthodes écotoxicologiques ou de bioindication sont les suivantes :

- elles sont aussi relativement chronophages et coûteuses,

- elles nécessitent l'utilisation d'un laboratoire,

- elles ne permettent ni une évaluation en temps réel, ni à grande échelle, ce qui n'en fait pas des outils d'alerte pertinents,

- elles sont rarement adaptées aux micropolluants (en ce qui concerne la bioindication),

- elles sont parfois difficiles à interpréter.

# 1. Rappel sur les méthodes analytiques traditionnelles (d'après Hassan et al. 2016)

## a. Chromatographie gazeuse

Cette technique permet de séparer des molécules d'un mélange éventuellement très complexe. Elle s'applique principalement aux composés gazeux ou susceptibles d'être vaporisés par chauffage sans décomposition. Le mélange à analyser est vaporisé à l'entrée d'une colonne, qui renferme une substance active solide ou liquide appelée phase stationnaire, puis il est transporté à travers celle-ci à l'aide d'un *gaz porteur* (ou *gaz vecteur*). Les différentes molécules du mélange vont se séparer et sortir de la colonne les unes après les autres après un certain laps de temps qui est fonction de l'affinité de la phase stationnaire avec ces molécules. À la sortie de la colonne, les composés rencontrent un élément essentiel qui est appelé détecteur. Cet élément évalue en continu la quantité de chacun des constituants séparés au sein du gaz porteur grâce à la mesure de différentes propriétés physiques du mélange gazeux.

## b. Chromatographie liquide haute performance (high performance liquid chromatography ou HPLC)

L'échantillon à analyser est poussé par un liquide (appelé phase mobile) dans une colonne remplie d'une phase stationnaire de fine granulométrie (les « grains » sont de très petite taille). Le débit d'écoulement de la phase mobile est élevé ce qui entraîne une augmentation de la pression dans le système. Ce débit élevé diminue le temps nécessaire pour séparer les composants le long de la phase stationnaire. La fine granulométrie de la phase stationnaire permet une meilleure séparation des composants. En effet, pour un même volume de phase stationnaire, la surface d'échange augmente si les « grains » qui la composent sont de diamètre plus petit. Les pics obtenus, via un détecteur à UV (les protéines absorbent à 275-280 nm) relié à un système d'intégration et de calcul, sont plus étroits. Donc, la résolution est améliorée : les pics sont bien séparés, on peut donc bien les différencier. Le seuil de détection est également plus bas : des pics étroits et hauts sont plus faciles à isoler du bruit de fond que des pics larges et bas. La combinaison de ces attributs - rapidité et résolution élevées - conduit à l'appellation « haute performance».

## c. Spectrométrie de masse

Cette méthode, destructive, permet à la fois d'accéder à la mesure de la masse moléculaire d'une substance, ainsi que d'obtenir des données structurales. La substance ionisée se trouve dans un état excité qui provoque sa fragmentation. L'analyse de ces fragments informe sur la structure de la molécule. Chacun des ions formés est caractérisé par son rapport masse/charge (m/Z) et l'appareil est capable de séparer ces ions, grâce à un champ magnétique, et de les détecter/caractériser qualitativement et quantitativement.

Les appareils peuvent être utilisés soit avec un système d'introduction directe (analyse de substances pures), soit couplés avec un système de chromatographie pour les mélanges complexes. La spectrométrie de masse est utilisable quel que soit l'état physique de l'échantillon (gaz, liquide ou solide). Des limites de détection inférieures au nanogramme et même au picogramme sont souvent
atteintes. Il existe différents type de spectromètre de masse selon le mode d'ionisation et le type d'analyseur employé.

### d. Spectroscopie de fluorescence (UV ou rayons X)

Il s'agit d'une méthode optique qui repose sur le principe suivant : l'illumination d'une molécule par une radiation de longueur d'onde appropriée conduit à l'absorption de l'énergie lumineuse par la molécule qui passe ainsi à un état électroniquement excité. Comme cet état est instable, la molécule retourne rapidement à son état fondamental, en restituant l'énergie en excès. Si cette dernière est émise sous forme de lumière et dans un temps très bref (généralement entre $10^{-10}$ et $10^{-8}$ s), le phénomène est appelé « fluorescence ». Pratiquement, dans un spectrofluorimètre, le faisceau incident est une radiation dont on sélectionne la longueur d'onde à l'aide d'un monochromateur et que l'on envoie sur un échantillon. La lumière émise par l'échantillon est recueillie dans une direction perpendiculaire et analysée à l'aide d'un second monochromateur et d'un détecteur approprié. Sa fréquence est déplacée vers le rouge par rapport à la lumière excitatrice. Le spectre d'émission dépend de la nature de la molécule fluorescente et des interactions mises en jeu entre cette molécule et son voisinage.

### e. Spectrométrie d'absorption atomique (Atomic Absorption Spectrometry ou AAS)

L'AAS est une technique de spectroscopie atomique servant à déterminer la concentration de certains métaux dans un échantillon. L'analyse se base sur l'absorption de photons par des atomes à l'état fondamental.

## 2. Les méthodes écotoxicologiques et de bioindication

En complément des méthodes liées à la chimie analytique et dans le but de mieux évaluer les risques des substances, des produits, des installations et des procédés sur la santé humaine et les écosystèmes, des **approches biologiques ont été développées**.

### a. Les méthodes écologiques basées sur la mesure des effets sur les populations in situ (bioindication)

Ces méthodes d'évaluation de la qualité écologique d'un milieu sont fondées sur les exigences écologiques d'une ou plusieurs communautés végétales ou animales dont les caractéristiques (occurrence, abondance, biomasse, caractéristiques ou « traits » biologiques) sont observées et évaluées afin de fournir une indication sur le niveau de dégradation du milieu.

Elles fournissent une indication sur le niveau de dégradation du milieu. Elles nécessitent l'inventaire (à un rang taxonomique variable) des taxons de la communauté et la mesure d'une ou plusieurs caractéristiques (si l'indice est dit multimétrique). Ces données sont traduites en une note indicielle qui rend compte de la qualité écologique globale.

Les bioindicateurs sont plus ou moins pertinents en fonction de la matrice étudiée, de la nature des pollutions que l'on cherche à caractériser et de la durée pendant laquelle on cherche à évaluer les impacts. Les macroinvertébrés benthiques sont sensibles à la pollution organique et aux modifications hydromorphologiques des cours d'eau. Les diatomées sont mieux corrélées aux contaminations trophiques des milieux aquatiques, les lichens ont fait leurs preuves en tant que bioindicateurs de la qualité de l'air. C'est la raison pour laquelle il est conseillé de mettre en œuvre plusieurs bioindicateurs complémentaires pour établir un diagnostic robuste et intégré de la qualité d'un milieu.
Le principal avantage de la bioindication est d'être une méthode intégratrice i) de l'impact des différentes pressions anthropiques, ii) de leur variation d'intensité dans le temps et enfin iii) de la variabilité naturelle des milieux.

Les bioindicateurs couramment employés sont listés dans le Tableau 3.
<table><caption>Tableau 3 : Les bioindicateurs couramment employés (* méthode DCE ou DCSMM compatible) (liste non exhaustive)</caption><thead><tr><th>Communauté biologique ou élément de qualité biologique (EQB)</th><th>Méthode indicielle (actuelle, en France) * = DCE/DCSMM compatible</th><th>Matrice et milieu concernés</th><th>Type de pollution concernée</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">Macroinvertébrés benthiques</td><td>Indice biologique global normalisé (IBGN*)</td><td>Eau<br/>Cours d'eau</td><td>Dégradation de la qualité physicochimique générale de l'eau (en particulier vis-à-vis des teneurs en matière organique et des altérations morphologiques)</td></tr><tr><td>Indice multimétrique (I<sub>2</sub>M<sub>2</sub>)</td><td>Eau<br/>Cours d'eau</td><td>Idem mais plus sensible et plus discriminant des perturbations que l'IBGN</td></tr><tr><td>Indice mollusques (IMOL)<br/>Indice biotique lacustre (IBL)<br/>Indice oligochètes de bioindication lacustre (IOBL)</td><td>Eau<br/>Cours d'eau</td><td></td></tr><tr><td>Indice macroinvertébrés lacustre (IMAIL*)</td><td>Eau<br/>Plan d'eau des Alpes et du Jura</td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">Diatomées benthiques</td><td>Indice biologique diatomées (IBD*)</td><td>Eau<br/>Cours d'eau</td><td>Dégradation de la qualité physicochimique générale de l'eau (en particulier vis-à-vis des teneurs en matière organique et des concentrations en nutriments)</td></tr><tr><td>Indice de polluo-sensibilité spécifique (IPS)</td><td>Plan d'eau</td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">Macrophytes</td><td>Indice biologique macrophytique en rivière (IBMR*)</td><td>Eau<br/>Cours d'eau</td><td>Dégradation de la qualité physicochimique générale de l'eau (Pollution organique et eutrophisation)</td></tr><tr><td>Indice biologique macrophytique en lac (IBML)</td><td>Plan d'eau</td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">Poissons</td><td>Indice poissons rivière (IPR+*) = Indice multimétrique</td><td>Eau<br/>Cours d'eau</td><td>Indice généraliste</td></tr><tr><td>Indice ichtyofaune pour les plans d'eau (IIL*)</td><td>Eaux de transition<br/>Plan d'eau</td><td>Eutrophisation</td></tr><tr><td rowspan="3">Phytoplancton</td><td>Indice phytoplancton lacustre (IPLAC*)</td><td>Eau<br/>Plan d'eau</td><td>Dégradation de la qualité physicochimique générale de l'eau (en particulier vis-à-vis des concentrations en nutriments)</td></tr><tr><td rowspan="2">Indice phytoplancton en grands cours d'eau en cours de développement</td><td>Cours d'eau (grands cours d'eau et canaux)</td><td></td></tr><tr><td>Eaux de transition<br/>Eaux côtières</td><td></td></tr><tr><td>Angiospermes</td><td>Description, mesure de la densité, proportion de rhizomes qui progressent et de l'envasement, pourcentage de recouvrement, largeur foliaire, ratio épiphytes biomasse foliaire => Intégration de ces métriques => État de santé de</td><td>Eau/Eaux de transition ; Eaux côtières</td><td>Protocole adapté aux herbiers de Posidonie et de zoostères => impacts mécaniques ou de turbudité augmentée</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><th>Communauté biologique ou élément de qualité biologique (EQB)</th><th>Méthode indicielle (actuelle, en France) * = DCE/DCSMM compatible</th><th>Matrice et milieu concernés</th><th>Type de pollution concernée</th></tr></thead><tbody><tr><td></td><td>l'herbier</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Macroalgues</td><td>Mesure de la densité, pourcentage de recouvrement et cartographie</td><td>Eau Eaux de transition Eaux côtières</td><td>En lien avec l'eutrophisation et l'augmentation de la température</td></tr><tr><td>Invertébrés benthiques</td><td>Indice biotique (AMBI*): Indice marin de la qualité écologique du benthos de substrat meuble. Il intègre les abondances relatives de cinq groupes écologiques d'endofaune benthique définis selon un gradient de sensibilité/tolérance à un stress environnemental. S'applique en Méditerranée<br>Indice biotique modifié (M-AMBI*) conçu pour une application en Atlantique et en Manche.</td><td>Eau Eaux de transition Eaux côtières</td><td>Il existe de nombreuses autres méthodes de bioindication qui n'ont pas été retenues dans le cadre de la DCSMM.<br>Pas d'indice sur substrats rocheux à ce jour.</td></tr><tr><td>Lichens</td><td>Méthode mise au point en 1986 par van Haluwyn et Lerond.</td><td>Air</td><td>Éléments Trace Métallique (ETM), azote</td></tr><tr><td>Cultures standardisées</td><td>Après développement en conditions contrôlées, les végétaux sont exposés pendant 2 mois</td><td>Air</td><td>Méthode d'évaluation du risque de contamination alimentaire lié aux retombées atmosphériques sur les végétaux consommés.<br>ETM, ozone, Dioxode de souffre</td></tr><tr><td>Macrofaune</td><td>Méthodes indicielles mise au point au cours du programme de recherche «bioindicateurs de qualité des sols» porté par l'ADEME dont les résultats ont été restitués en octobre 2012.</td><td>Sol</td><td></td></tr><tr><td>Nématofaune totale</td><td>Norme NF ISO 23611-4 (2008): Qualité du sol — Prélèvement des invertébrés du sol — Partie 4: Prélèvement, extraction et identification des nématodes du sol.</td><td>Sol</td><td>Voir Fiche Outil F3 sur la Nématofaune rédigée dans le cadre du Programme Bioindicateur 2</td></tr><tr><td>Mésofaune (Collemboles et acariens)</td><td></td><td>Sol</td><td>Toutes les fiches rédigées dans le cadre de ce programme sont téléchargeables sur le site : https://ecobiosoil.univrennes1.fr/ADEME-Bioindicateur/fiches-outils.php</td></tr><tr><td>Lombriciens</td><td></td><td>Sol</td><td></td></tr><tr><td>Espèces végétales</td><td></td><td>Sol</td><td></td></tr><tr><td>Les communautés microbiennes (bactéries et champignons)</td><td>Méthode basée sur les indicateurs microbiens de l'état microbiologique des sols :<br>Biomasse Moléculaire<br>Microbienne, Empreinte Moléculaire des communautés.<br>Diversité Taxonomique microbienne</td><td>Sol</td><td>Voir Fiche Outil M3 sur la Nématofaune rédigée dans le cadre du Programme Bioindicateur 2</td></tr></tbody></table>
Parmi ces organismes bioindicateurs, certains sont aussi bioaccumulateurs comme les lichens, les mousses ou les escargots. Ils ont la capacité d'absorber et concentrer certaines substances chimiques dans tout ou partie de leur organisme (https://www.dictionnaire-environnement.com/bioaccumulation_ID478.html). Mesurer l'accumulation dans ces organismes permet de pallier les difficultés que l'on rencontre lors de mesures physico-chimiques directes (mise en place d'un protocole lourd de collecte et d'analyses, mesures ponctuelles) et constitue donc une technique environnementale robuste (Agnan 2013)

## b. Les méthodes écotoxicologiques (bioessais)

Ils permettent de mesurer des effets sur les individus (toxicité aiguë – survie - et toxicité chronique - croissance, reproduction, etc) ou des effets au niveau moléculaire par l'étude de biomarqueurs<fnref n="3" />. Ces deux approches sont des méthodes écotoxicologiques. Elles permettent de connaître les mécanismes de toxicité et d'avoir des réponses précoces des effets des contaminants, et donc, théoriquement, de pouvoir intervenir avant d'avoir des effets sur les populations et les écosystèmes.

Ces bioessais peuvent être réalisés sur d) (Gosset, Ferro, and Durrieu 2015) :

- des procaryotes ou des eucaryotes ;

- des organismes photosynthétiques, producteurs primaires, des décomposeurs ou des organismes consommateurs ;

- des organismes unicellulaires, des invertébrés ou des vertébrés ;

- une espèce ou sur plusieurs (en micro ou mésocosme) ;

- et enfin au laboratoire ou *in situ* (méthode du caging).

Le choix de la méthode dépend du milieu que l'on souhaite étudier et de l'objectif de l'étude.

Il existe plusieurs méthodes écotoxicologiques couramment employées pour évaluer la toxicité de nombreuses molécules, sur toutes les matrices : eaux douces, eau de mer, air, sol, déchets. La plupart d'entre elles ont fait l'objet d'une normalisation et sont mises en œuvre dans un cadre réglementaire. Quelques exemples en sont donnés en annexe 7.

Les méthodes écotoxicologiques *in situ* sont présentées dans le Tableau 4.

<table><caption>Tableau 4 : Quelques exemples de méthodes écotoxicologiques et de biomarqueurs employées *in situ*</caption><thead><tr><td>Nom de la méthode ou organisme sentinelle utilisé</td><td>Méthode</td><td>Matrice et milieu concernés</td><td>Type de pollution concernée</td></tr></thead><tbody><tr><td>Gammares (Gammarus fossarum)</td><td>Méthode développée initialement par le Cemagref/Irstea puis par sa start up BIOMAE, qui en assure la mise en œuvre.<br/>=>Mesure de la bioaccumulation des micropolluants minéraux et organiques)<br/>=>Mesure de biomarqueurs d'effets et d'impacts :<ul><li>Marqueurs de toxicité générale : inhibition alimentaire, effets sur la reproduction (bioessai de reprotoxicité).</li><li>Marqueurs de perturbation endocrinienne chez les crustacés : désynchronisation de processus physiologiques tels que la mue, la croissance ovocytaire et le développement embryonnaire.</li><li>Marqueur de neurotoxicité : inhibition de l'activité enzymatique de l'AChE, spécifique de l'exposition aux insecticides (famille des carbamates et des organophosphorés).</li></ul></td><td>Eaux douces</td><td>Perturbateurs endocriniens, micropolluants</td></tr></tbody></table>

<footnote n="3">³ Un biomarqueur est un changement observable et/ou mesurable au niveau moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique, qui révèle l'exposition présente ou passée d'un individu à au moins une substance chimique à caractère polluant. Lagadic et al. (1997)</footnote>
<table><thead><tr><th>Nom de la méthode ou organisme sentinelle utilisé</th><th>Méthode</th><th>Matrice et milieu concernés</th><th>Type de pollution concernée</th></tr></thead><tbody><tr><td>Technologie développée par Watchfrog.<br>Actuellement la FrogBox en cours d'expérimentation permet une analyse in situ en continue et la télétransmission des résultats.</td><td>Méthode développée initialement par le MNHN et le CNRS puis par la start up WATCHFROG, qui en assure la mise en œuvre.<br>Partenariat commercial avec Véolia</td><td>Détection et quantification de la présence de polluants en utilisant des larves d'amphibiens et de poissons génétiquement modifiées qui expriment une fluorescence en présence de perturbateurs endocriniens ou de micropolluants.<br>Chaque type d'organisme renseigne sur le type de perturbateur présent (thyroidien et œstrogénique).</td><td>Demande de brevet français déposée par le CNRS le 30 mai 2002, intitulée « Embryons transgéniques de xénope et leurs utilisations pour la détection de perturbateurs endocriniens, et procédé correspondants » et demande de brevet international déposée par voie PCT le 27 mai 2003 (FR 0301598) et étendue en Europe (en cours de délivrance), aux Etats-Unis (délivré), au Canada (délivré) et au Japon (délivré)</td></tr><tr><td>Gymnotox développé par AquaMS</td><td>L'Apteronotus albifrons émet une fréquence électrique qui varie selon les caractéristiques chimiques de son milieu.</td><td>Surveillance de la ressource en eau potable (en continu, sur les bases vie en milieu hostile et en cas de menace terroriste).<br>Surveillance des eaux du milieu naturel.</td><td>Détection globale de la qualité de l'eau</td></tr><tr><td rowspan="3">Technologies développées par Tronico-Vigicell<br>TRONICO VIGICELL<br>FILCON</td><td>Développement de bioessais associés sous forme de 5 panels (toxicité générale, perturbateurs endocriniens, génétoxicité, stress cellulaire, reprotoxicité).</td><td>Eaux douces</td><td>Tests simples, rapides, réalisés sur des cellules algales, humaines,..., pouvant être mis en œuvre directement sur l'échantillon (sans modification, extraction...).</td></tr><tr><td>Ces panels peuvent être associés sous forme de packs (réglementaire, découverte...) ou à façon en fonction des objectifs.<br>Méthode opérationnelle</td><td>Eau de mer</td><td>Les résultats sont présentés sous forme de graphiques très visuels illustrant l'empreinte toxique de l'échantillon.</td></tr><tr><td>Développement en cours d'un produit regroupant 3 packs (toxicité générale, perturbateurs endocriniens et génétoxicité).</td><td>Eaux en sortie d'usine de potabilisation</td><td>Un prototype destiné à un usage sur les effluents industriels et les eaux usées est en cours de développement à l'Université de Nantes (qualification et commercialisation à l'horizon 2019)</td></tr><tr><td>Mollusque : Corbicula fluminea</td><td>Méthode expérimentale d'exposition in situ : Toxicité aiguë et chronique, croissance, bioaccumulation, biomarqueurs enzymatiques (choline-esterase, enzyme cellulolytique) ou de comportement (filtration, alimentation, mouvements des valves)</td><td>Eaux douces</td><td>Cf article « What are the outcomes of an industrial remediation on a metal-impacted hydrosystem? A 2-year field biomonitoring of the filter-feeding bivalve Corbicula fluminea » (Arini et al. 2014)</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Nom de la méthode ou organisme sentinelle utilisé</td><td>Méthode</td><td>Matrice et milieu concernés</td><td>Type de pollution concernée</td></tr></thead><tbody><tr><td>Indice PhytoMet</td><td>L'outil a été défini dans le cadre du programme Bioindicateurs II. Il intégre la phytodisponibilité et la toxicité potentielle des principaux ETMs. Il permet ainsi de discriminer nettement des sites multicontaminés vis-à-vis des risques de transfert vers les consommateurs primaires.</td><td>Sol</td><td>Voir Fiche Outil P1 sur les communautés végétales (rédigée dans le cadre du Programme Bioindicateur II)</td></tr><tr><td>Le Réseau Intégrateurs Biologiques (RINBIO), développé en partenariat avec l'Agence de l'Eau Rhône Méditerranée Corse et l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) depuis 1996, a pour objectif d'évaluer les niveaux de contamination chimique et radiologique sur le bassin RMC. Il se base sur les capacités bioaccumulatrices de la moule.</td><td>Protocole standardisé et déployé maintenant à l'échelle des 1800 km de côtes en Méditerranée française (260 mouillages)</td><td>Eaux en milieu marin et estuarien</td><td>Métaux (Cd, Cu, As, ...), PCBs, Pesticides (DDT...), HAPs,...</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

### 3. Place des biocapteurs parmi les méthodes d'évaluation environnementale

Le schéma ci-dessous vise à synthétiser les différentes méthodes analytiques disponibles et leurs indications respectives pour diagnostiquer une contamination ou une pollution<fnref n="4" />. Les biocapteurs, et tout particulièrement les biocapteurs d'effets, se situent à l'interface entre les méthodes de mesure de polluants et les méthodes d'évaluation de leurs effets potentiels sur les organismes vivants.

<footnote n="4">⁴ Selon le Larousse :
Dégradation de l'environnement par des substances (naturelles, chimiques ou radioactives), des déchets (ménagers ou industriels) ou des nuisances diverses (sonores, lumineuses, thermiques, biologiques, etc.). Bien qu'elle puisse avoir une origine entièrement naturelle (éruption volcanique, par exemple), elle est principalement liée aux activités humaines.</footnote>

<footnote>Selon la Directive Européenne 2000/60/CE du 23 octobre 2000 :
Introduction directe ou indirecte, par suite de l'activité humaine, de substances ou de chaleur dans l'air, l'eau ou le sol, susceptibles de porter atteinte à la santé humaine ou à la qualité des écosystèmes aquatiques ou des écosystèmes terrestres, qui entraînent des détériorations aux biens matériels, une détérioration ou une entrave à l'agrément de l'environnement ou à d'autres utilisations légitimes de ce dernier.</footnote>
CONTAMINATION

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>Figure 27 : Les méthodes d'évaluation d'une contamination dans l'environnement</figcaption></figure>
**Un biomarqueur est un changement observable et/ou mesurable au niveau moléculaire, biochimique, cellulaire, physiologique, qui révèle l'exposition présente ou passée d'un individu à au moins une substance chimique à caractère polluant (Lagadic et al. 1997)

## 4. Avantages communs à tous les biocapteurs

Les avantages potentiels, et dans plusieurs cas effectifs, communs à tous les types de biocapteurs s'entendent en général par rapport aux méthodes analytiques traditionnelles :

* **La simplicité** : Ils permettent la mesure des composés directement dans l'air ou l'eau sans passer par des étapes complexes de laboratoire (Hassan et al. 2016), et ainsi ne nécessitant pas de personnel spécialisé ni d'équipements coûteux (Bahadır and Sezgintürk 2015).

* Ils intègrent **la biodisponibilité** du composé puisque le récepteur est biologique (Hassan et al. 2016; Amaro et al. 2011).

* Ce sont des outils **précis, sensibles, rapides** (Badihi-Mossberg, Buchner, and Rishpon 2007).

* Ils sont dotés d'une **grande facilité opérationnelle** pour des sites uniques. De plus, l'usage sur site limite les délais d'analyse et le risque d'altération (notamment d'oxydation) de l'échantillon durant le transport au laboratoire (Badihi-Mossberg, Buchner, and Rishpon 2007). Cet avantage peut être particulièrement précieux dans le domaine de l'eau et de l'hygiène et la sécurité alimentaire ou dans des zones géographiques isolées. Les gestionnaires des territoires ultramarins français interrogés sont globalement très favorables aux développements de tels outils compte-tenu de leurs contraintes.

* Un biocapteur est par définition un appareil **compact et portable** (Badihi-Mossberg, Buchner, and Rishpon 2007).

* D'autres critères sont particulièrement intéressants à considérer compte-tenu de l'usage qui est fait des biocapteurs :

* Le **coût** (à l'achat comme à l'usage),

* la **taille réduite de l'échantillon**,

* la possibilité de produire des **analyses individuelles ou successives** d'un analyte ou d'un groupe d'analytes (Badihi-Mossberg, Buchner, and Rishpon 2007).

* Enfin, les biocapteurs, et plus particulièrement les biocapteurs d'effets, présentent l'avantage d'être **mieux corrélés aux impacts des polluants sur les organismes vivants**. Ils sont en cela plus pertinents que les mesures analytiques classiques et l'interprétation qu'on en fait actuellement (Philippe Le Louers, com. pers.).

## 5. Inconvénients communs à tous les biocapteurs à usage environnemental

* La **sensibilité** et la **spécificité** : Ces 2 caractéristiques essentielles à un outil diagnostic sont assez souvent prises en défaut dès lors que l'appareil est testé sur des échantillons naturels

* La **reproductibilité** des résultats, autres critère primordial de la **robustesse** de l'appareil est très souvent moins bonne que la reproductibilité observée pour les méthodes traditionnelles.

* Les conditions d'utilisation des biocapteurs sont difficiles et entraînent rapidement une dérive des résultats en conditions réelles. Ce **phénomène d'encrassement** est souvent un verrou technique pour le concepteur d'autant plus que la maintenance de ce type d'appareil doit rester modérée.

* La **durée de conservation** et les **conditions de stockage** des consommables représentent aussi une difficulté pour le concepteur du fait de la nature biologique du récepteur et des conditions d'utilisation hors du laboratoire.
## 6.Les avantages et inconvénients spécifiques à chaque type de biocapteurs

Bien que possédant des avantages communs, la nature du biorécepteur comme celle du transducteur confèrent des avantages et inconvénients différentiels à chaque type de biocapteurs (Bazin et al. 2017).

Le Tableau 5 ci-dessous précise les principaux avantages et inconvénients liés à la nature du transducteur.

<table><caption>Tableau 5 : Avantages et inconvénients inhérents aux types de transducteurs (d'après Hassan et al. (2016b))</caption><thead><tr><th>Type de transducteur</th><th>Avantages</th><th>Remarques</th><th>Inconvénients</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="6">Optique</td><td>Simple</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Détection multiples</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Détection à distance</td><td></td><td>Spécificité (sensible aux interférences lumineuses)</td></tr><tr><td>Électriquement neutre</td><td></td><td>Grande sensibilité à la présence de matière organique</td></tr><tr><td>Large gamme de mesure</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Indépendant de la présence de sels => usage possible en milieu marin ou saumâtre</td><td></td><td></td></tr><tr><td rowspan="6">Électrochimique</td><td>Sensible</td><td rowspan="6">=> Possibilité d'ajouter une 3ème électrode « témoin » aux 2 autres électrodes (active et de référence) pour un encombrement et un surcoût raisonnables => Possibilité de faire des mesures différentielles et de compenser ainsi la grande variabilité des échantillons environnementaux (C. Gondran, com. pers.)</td><td rowspan="6">Spécificité (sensible aux interférences électrochimiques en présence de molécules autres que l'analyte)</td></tr><tr><td>Facile à fabriquer</td></tr><tr><td>Se prête à la miniaturisation</td></tr><tr><td>Portable</td></tr><tr><td>Peu coûteux</td></tr><tr><td>Économe énergétiquement</td></tr><tr><td rowspan="2">Thermique (calorimétrique)</td><td>Stable</td><td></td><td rowspan="2">Spécificité</td></tr><tr><td>Se prête aux mesures en continu</td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">Mécanique (piézoélectrique)</td><td>Simple</td><td></td><td rowspan="2">Sensibilité</td></tr><tr><td>Se prête aux mesures en continu</td><td></td></tr></tbody></table>

Le Tableau 6 ci-dessous résume les principales caractéristiques de trois types de biorécepteurs couramment utilisés pour la détection des toxines dans les domaines de la sécurité alimentaire (mycotoxines, toxines bactériennes) et de l'environnement (en particulier en milieu marin).
<table><caption>Tableau 6 : Caractéristiques des différents types de biorécepteurs (d'après Bazin et al. (2017) et Hassani et al. (2017))</caption><thead><tr><th>Type de biorécepteur</th><th>Propriété du biocapteur</th><th>Caractéristique</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="10">Enzyme</td><td>Acquisition</td><td>Technique in vitro, aucun recours aux animaux n'est requis<br>ne permet de détecter qu'une enzyme ou son substrat<br>Méthode nécessitant que l'enzyme soit dans des conditions physiologiques</td></tr><tr><td>Stabilité</td><td>améliorée avec les enzymes recombinantes ou modifiées<br>Faible longévité<br>Conditions de stabilité étroites en terme de pH, température, conditions ioniques<br>Conditions de conservation strictes</td></tr><tr><td>Spécificité</td><td>faible</td></tr><tr><td>Modifications</td><td>possibles</td></tr><tr><td>Dénaturation</td><td>possible</td></tr><tr><td>Autres</td><td>Immobilisation dans des conditions de densité bien définies et positionnement du site actif parfois délicat à obtenir<br>Immobilisation sur plaque à des densités et localisations définies parfois difficile</td></tr><tr><td rowspan="8">Anticorps</td><td>Acquisition</td><td>Technique in vivo<br>prend plusieurs mois<br>Ne permet pas d'obtenir un anticorps contre une molécule toxique ou faiblement immunogène (de petite taille par exemple)<br>Manipulation impossible<br>Conditions physiologiques obligatoires<br>Choix d'un épitope en particulier sur une molécule cible difficile<br>La molécule cible doit être présente en quantité pour être assez immunogène<br>Identification laborieuse</td></tr><tr><td>Stabilité</td><td>assez bonne dans le temps<br>Ne peut pas être améliorée<br>Conditions de stabilité étroites en terme de pH, température, conditions ioniques<br>Conditions de conservation strictes (réfrigération et congélation)</td></tr><tr><td>Spécificité</td><td>Capacité de liaison à la molécule cible comparable à celle des aptamers, conditionnant des limites de détection de l'ordre du nMolaire ou pMolaire</td></tr><tr><td>Modifications</td><td>difficiles et toujours biologiques</td></tr><tr><td>Dénaturation</td><td>possible</td></tr><tr><td>Autres</td><td>Immobilisation sur plaque à des densités et localisations définies parfois difficile</td></tr><tr><td rowspan="8">Aptamers</td><td>Acquisition</td><td>Technique in vitro, aucun recours aux animaux n'est requis<br>ne prend que plusieurs semaines<br>Il est possible d'obtenir un aptamer contre une molécule toxique ou faiblement immunogène (de petite taille par exemple)<br>Manipulation possible pour obtenir des capacités de liaison ou des propriétés cinétiques particulières<br>Conditions non physiologiques acceptables<br>Choix d'un épitope en particulier sur une molécule cible possible<br>La molécule cible peut être rare pour la préparation de l'aptamer</td></tr><tr><td>Stabilité</td><td>assez bonne dans le temps (plusieurs années en cas de congélation)<br>peut être améliorée par des modifications<br>Bonnes conditions de stabilité en terme de pH, température, conditions ioniques<br>Conditions de conservation faciles (réfrigération et congélation ne sont pas nécessaires)</td></tr><tr><td>Spécificité</td><td>Capacité de liaison à la molécule cible comparable à celle des anticorps, conditionnant des limites de détection de l'ordre du nMolaire ou pMolaire</td></tr><tr><td>Modifications</td><td>faciles, possibles chimiquement, précises et reproductibles</td></tr><tr><td>Dénaturation</td><td>possible et régénération possible</td></tr><tr><td>Autres</td><td>Se prête bien à la conception de plaques (microarrays)</td></tr></tbody></table>
# Les différentes matrices cible

## 1.L'eau

La très grande majorité des technologies développées concernent l'eau. En effet, la nature biologique du récepteur implique la présence d'eau. À de rares exceptions près, les différentes étapes de mise en œuvre des biocapteurs s'effectuent dans l'eau même lorsque l'appareil est dédié à un usage dans l'air ou le sol.

## 2.L'air

### a. Les enjeux de la matrice air

La qualité de l'air dépend des odeurs, de la présence de polluants (COVs,...) et de particules ayant des effets néfastes pour la population, en particulier les personnes dites sensibles. Selon une estimation de l'OMS, en 2012, à l'échelle mondiale, 12.6 millions de décès pouvaient être attribués à la mauvaise qualité de l'air. Ce nombre de décès est 3 à 5 fois plus élevé dans certains pays d'Asie comme le Vietnam ou la Chine qu'en Europe. En Europe, les différentes mesures mises en œuvre font que la qualité de l'air s'améliore globalement, même si des épisodes de pollution atmosphérique restent préoccupants pour la santé humaine et très pénalisants économiquement.

La présence de gaz à effet de serre (CO2, CH4, ...) dans l'air et leurs impacts sur le dérèglement climatique justifient également une surveillance de la qualité de l'air. Cependant le marché est encore largement dominé par les méthodes physico-chimiques.

### b. Les méthodes analytiques actuellement employées

Comme pour les autres matrices, traditionnellement, un échantillonnage est requis avant la mise en œuvre des procédés analytiques employés pour la détection des polluants et particules dans l'air atmosphérique, les espaces clos et aux sites d'émission. Ces méthodes de prélèvement sont nombreuses et peuvent être ponctuelles, réalisées sur un temps donné jugé significatif (prélèvements accumulés) ou continues en temps réel. De nombreuses techniques existent et continuent d'être conçues pour améliorer les prélèvements accumulés, et par conséquent la fiabilité et la représentativité des mesures réalisées in fine.

Les analyses réalisées au laboratoire font appel à la chromotographie en phase gaseuze (GC) souvent couplée à un détecteur à spectrométrie de masse (GC-MS), la chromatographie en phase liquide haute performance (HPLC), la spectrométrie dont la spectrométrie infrarouge, la luminescence (chimiluminescence, fluorescence, phosphorescence), la spectrométrie d'absorption atomique.

Les avantages et inconvénients de ces méthodes traditionnelles ont été précisés précédemment.

L'émergence de capteurs de gaz ou de particules portables, à bas coût et connectés présente un réel intérêt pour la surveillance de la qualité de l'air en permettant de densifier les réseaux de mesure, d'établir des diagnostics en temps réels et de raccourcir les chaines de décision. Nous avons identifié et rencontré 2 start-up présentes sur le territoire français :

* la société elichens (http://www.elichens.com/)

* la société In'Air Solutions (http://www.inairsolutions.fr/en)

Les solutions proposées concernent respectivement l'air urbain et l'air intérieur.

Il existe d'autres microcapteurs sur le marché comme en témoigne une récente étude menée par la RATP sur 6 d'entre eux. Les résultats ont montré que la calibration des appareils et leur fiabilité dans le temps (risque d'encrassement entrainant des phénomènes de dérive) étaient les principaux points de vigilance pour une utilisation dans les conditions particulières du réseau de métro parisien.

Les méthodes d'évaluation du risque lié à la qualité de l'air semblent évoluer actuellement, notamment en prenant mieux en compte les effets cocktails des molécules selon leur toxicité. Cette approche a
été mise en œuvre dans le cadre d'une étude menée en Asie par la société HPC International (https://www.hpc.ag/fr/). La prise en compte de la toxicité des molécules présentes et de leurs associations dans certaines zones géographiques permettrait de mieux caractériser la nature et l'intensité du risque pour la santé humaine et de mieux adapter la surveillance en fonction du territoire. L'association ATMO Auvergne-Rhône Alpes (http://www.air-rhonealpes.fr) travaille aussi en ce sens pour faire évoluer la surveillance de la qualité de l'air sur son territoire.

Concernant les odeurs (et non plus les molécules toxiques même si certaines sont odorantes), ATMO Normandie et la CIC Estuaire havrais ont mis en place un réseau de surveillance des odeurs par des personnes volontaires, citoyens ou personnels d'industries, qui peuvent devenir « nez » après formation. La société CMI Environnement Europe vient d'investir dans un olfactomètre qui repose aussi sur la détection et la quantification d'odeurs par des nez humains.

### c. Les biocapteurs sensoriels développés ou en cours de développement

Les biocapteurs olfactifs biomimétiques, ou nez électroniques, pourraient représenter une alternative aux microcapteurs reposant sur une technologie physique et aux nez humains. Cependant aucun biocapteur actuellement commercialisé n'a été identifié et les discussions menées au cours du colloque Atmos'Fair (Lyon, les 10 et 11 octobre 2017) ont révélés qu'aucune des personnes interrogées ne connaissait de tels appareils. Les diverses informations recueillies à cette occasion semblent indiquer que le marché des biocapteurs pour un usage dans l'air n'est absolument pas mature.

Des recherches sont néanmoins menées pour la conception de biocapteurs. Ils peuvent intégrer des biorécepteurs biologiques de différentes natures :

* **Les récepteurs olfactifs** exprimés à la surface cellulaire des neurones olfactifs des mammifères peuvent constituer d'excellents biorécepteurs. De même les récepteurs olfactifs des insectes sont intéressants et présentent l'avantage de fonctionner de manière plus simple et autonome que ceux des mammifères. Ce sont souvent les recherches menées dans le but d'identifier les récepteurs olfactifs des insectes qui ont conduit à la conception de biocapteurs intégrant ces biorécepteurs (Glatz and Bailey-Hill 2011). Les récepteurs olfactifs peuvent être extraits des tissus animaux et exprimés par un microorganisme ou une cellule eucaryote. Leur immobilisation à la surface du biorécepteur mobilise souvent des nanostructures (nanotubes de carbone ou de polymère conducteur, nanosomes, etc.) (Sankaran, Khot, and Panigrahi 2012). Des travaux concernant la mise au point de nanovésicules intégrant des récepteurs olfactifs ont aussi été menés (Calo et al. 2012).

* **Les protéines vectrices de molécules odorantes** sont des molécules protéiques solubles de faible poids moléculaire. Elles transportent les molécules odorantes à travers le mucus nasal aqueux au sein du système olfactif. Elles constituent également des potentiels biorécepteurs biologiques. Comme les récepteurs olfactifs, les protéines vectrices sont extraites de tissus animaux et exprimées à la surface de microorganismes, par exemple des levures. Les biocapteurs issus d'épithélium nasal de chien se sont montrés 10 à 100 fois plus sensible que des biocapteurs issus d'autres espèces animales (Sankaran, Khot, and Panigrahi 2012).

* **Les neurones olfactifs** possèdent des milliers de récepteurs olfactifs répondant à des molécules odorantes variées. Ils constituent donc d'excellents biorécepteurs capables de fournir une réponse spécifique, sensible et rapide (Sankaran, Khot, and Panigrahi 2012).

* **Des polypeptides synthétiques** imitant le site de liaison de récepteurs olfactifs ou de protéines vectrices ont aussi été étudiés dans le but de concevoir des biocapteurs olfactifs. Ils présentent généralement l'avantage d'être plus stables, robustes, moins coûteux et parfois plus sensibles et spécifiques que les biorécepteurs extraits des tissus animaux (Sankaran, Khot, and Panigrahi 2012).

* Dickert et al. (1998) ont mis au point un **polymère à empreinte moléculaire (MIP)** adapté à un composé volatil, créant ainsi un biorécepteur.

La présence de molécules odorantes captées par le récepteur génère un signal transmis par des méthodes de transduction

* électrochimiques (potentiométriques, voltamétriques, transistors à effet de champs) ZhenZhong Guo (2014),
* piezoélectrique (résonnance, microsystèmes électromécaniques)

* ou encore optiques.

Les signaux générés sont ensuite analysés et traités statistiquement afin de caractériser les échantillons. Les récepteurs olfactifs employés peuvent être synthétisés par des microorganismes (levures ou bactéries) génétiquement modifiées.

Glatz et Bailey-Hill (2011) évoquent la conception de plusieurs biocapteurs utilisables *in situ* pour lesquels la preuve de concept avait été obtenue. Ils précisent néanmoins qu'aucun transfert industriel ni commercial n'avait eu lieu en 2011. En voici deux exemples :

* Hou et al. (2007) ont prouvé que la détection et la mesure quantitative de molécules odorantes à partir d'un récepteur olfactif de rat était possible. Ce biorécepteur est enchâssé dans une électrode d'or recouverte par plusieurs couches auto-assemblées, offrant ainsi un environnement lipidique qui garantit la fonctionnalité du récepteur. La transduction est électrochimique (impédance).

* Les travaux de Benilova et al. (2008) visaient à concevoir un biorécepteur à partir d'un récepteur humain et sa protéine accompagnatrice<fnref n="5" /> synthétisés par une culture de levure. Ce récepteur, intégré dans un biofilm à la surface d'une lame recouverte d'or, était associé à une transduction optique de type résonance plasmonique de surface (SPR).

Les biocapteurs olfactifs présentent de multiples avantages : fortes sensibilité, sélectivité et spécificité, délais de réponse courts, fabrication simple, biocompatibilité et biodégradabilité rapide.

Les applications de tels biocapteurs sont larges, comme le montre la Figure 28.

La détection rapide et précise des composés organiques volatils dans l'environnement, de molécules explosives ou de leurs précurseurs, ou encore de molécules illicites dans le domaine de la sécurité semblent être des domaines particulièrement porteurs actuellement (ZhenZhong Guo 2014)

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>Figure 28 : Sources d'émanations atmosphériques d'origine anthropique (Wehrenfennig et al. 2013)</figcaption></figure>

<footnote n="5">⁵ NB : À la différence du système d'olfaction des insectes, celui des humains met en œuvre des réactions chimiques entre la reconnaissance de la molécule odorante par le capteur et la transmission du signal neuronal</footnote>
La société ARYBALLE Technologies, créée il y a 3 ans, développe et commercialise le seul biocapteur fonctionnant strictement dans la matrice air. Ce biocapteur sensoriel intègre un transducteur optique fondé sur la technologie de Résonance Plasmonique de Surface (SPR) par imagerie adaptée à l'analyse sensorielle, initialement brevetée par le CEA-Grenoble et le CNRS.

Dans la conception de ce biocapteur, le choix du biorécepteur a été crucial et s'est porté sur des petites molécules protéiques (peptides), lipidiques ou glucidiques, quasiment à l'interface de la biochimie et de la chimie, qui n'ont pas besoin d'eau. Le choix est donc très restreint. Malgré leur petite taille, ces molécules gardent néanmoins une bonne partie de leurs propriétés fondamentales tant au niveau de leur structure (structures Ire à IIIre) que de leurs fonctions, notamment leur capacité à établir des liaisons électrostatiques et de Van der Vals. Ce sont donc bien des mécanismes biochimiques qui sont en cause. Le biorécepteur transforme chaque odeur en un pattern biochimique lui-même transformé en un signal optique par le transducteur. La technologie est universelle et permet en théorie la détection des tous les COV (alcool, ester...), mais la spécificité n'est pas constante car certaines signatures se superposent. Des signatures très distinctes ont néanmoins été obtenues pour une trentaine de molécules. La sensibilité peut aussi être un peu faible (moins bonne qu'un odorat de chien).

Les applications sont évidentes pour les parfumeurs qui ajoutent une étape simple de pré-concentration dans un flacon. Dans le domaine de l'environnement, les applications sont la détection d'odeurs bactériennes et de nuisances olfactives en général issues de centres de traitement des déchets, STEP, élevages, industries. La surveillance de la qualité olfactive de l'air intérieur est aussi un marché : chambre d'hôtel, sanitaires... Le marché lié à l'anosmie (perte d'odorat) est également visé par la société Aryballe Technologies. (Tristan Rouselle, com. pers.)

## d. Les biocapteurs conçus pour la surveillance de molécules toxiques

L'évaluation de la qualité de l'air intérieur est également un domaine d'application potentiellement porteur pour les biocapteurs comme pour les microcapteurs évoqués précédemment. Parmi les molécules recherchées, le formaldéhyde est un composé hautement toxique et carcinogène. Le formaldéhyde, utilisé dans l'industrie, peut également être présent dans l'eau. Monkawa et al. (2015) ont conçu un bioessai enzymatique original, basé sur un cycle enzymatique (Figure 29) pour la détection du formaldéhyde dans l'air. En présence de formaldéhyde, la réaction enzymatique a lieu et la coloration jaune du WST-8 formazan apparait. Elle est mesurée par un spectrophotomètre. Ce biocapteur présente également la singularité de pouvoir être employé dans l'eau (limite de détection = 15ppb) et dans l'air (limite de détection = 5ppb) grâce à un procédé permettant la dissolution du formaldéhyde gazeux dans l'eau. Ces limites de détection sont compatibles avec la limite pour la qualité de l'air intérieur résidentiel fixée à 80 ppb par l'organisation mondiale pour la santé (OMS). Cette méthode est, en outre, rapide et spécifique (grâce à la formaldéhyde deshygrogénase). Le signal émis étant lumineux, une miniaturisation est possible et permettrait de concevoir un appareil mobile et peu couteux.

<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>Figure 29 : Cycle enzymatique à l'origine de la détection du formaldéhyde</figcaption></figure>

Il existe d'autres travaux actuellement en cours, notamment une thèse sur le développement d'un biocapteur microbien, outil d'alerte de pollution globale pour la surveillance des aires urbaines sous la direction de Gérald Thouand.

## 3. Les solides (sol, déchets solides)

Aucun biocapteur commercialisé n'a pu être identifié concernant ces matrices solides.
Comme pour les autres matrices, de nombreux travaux de recherche ont été conduits. Certains visent la conception de bioessais à cellules entières génétiquement modifiées pour exprimer un signal fluorescent en présence de la molécule cible (Figure 30) (Tecon and van der Meer 2008).

Ces bioessais sont généralement réalisés sur des échantillons d'eau mais ils peuvent concerner des échantillons de sols contaminés **la plupart du temps après une étape d'extraction**. Toba and Hay (2005) ont mis au point un bioessai dans lequel les cellules génétiquement modifiées étaient fixées sur un filtre qui était mis **en contact direct avec le sol potentiellement contaminé**. Après une exposition d'une heure, le filtre était retiré et l'expression de la protéine fluorescente (la luciférase) mesurée. Ce bioessai a permis de détecter un pesticide (le 2-4-D) présent à des concentrations allant de 1 à 50 mg/Kg de sol.

<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>Figure 30 : Principe des bioessais à cellule entière génétiquement modifiée</figcaption></figure>

La complexité de la matrice sol et son hétérogénéité, responsable de la variation de la biodisponibilité des micropolluants, font que les méthodes analytiques traditionnelles et les biocapteurs sont très difficile à concevoir et à étalonner. Les bioindicateurs et les biomarqueurs sont des outils sont des outils d'autant plus pertinents pour cette matrice (Hélène Cérémonie, com. pers.).

Au cours du programme national « Bioindicateurs », porté et financé par l'ADEME, un grand nombre d'outils de bioindication et de biomarqueurs ont été élaborés, validés et diffusés pour une utilisation en routine. Ce programme, initié en 2004, a été séquencé en deux phases de quatre ans chacune. La première phase a permis d'évaluer et de tester un ensemble de 80 bioindicateurs dans différentes situations et basés sur des compartiments biologiques variés. Au cours de la seconde phase, les indicateurs jugés les plus pertinents ont été retenus pour être calibrés et comparés sur des sites ateliers communs, correspondant à différents usages du sol (ex: agricole, urbain, forestier) et différentes problématiques environnementales (ex : pratiques agricoles, épandage de déchets, sites contaminés). Certains d'entre eux sont maintenant opérationnels voire en voie de normalisation auprès de l'AFNOR ou déjà normalisés. Ils ont fait l'objet de fiches outils téléchargeables sur le site de l'ADEME et résumées dans le Tableau 7

(http://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/fiche_outil_1_18.pdf).

Les travaux conduits sur le compartiment microbien à travers ce programme national « Bioindicateurs » font écho à d'autres travaux réalisés par Smith et al. (2015). Ces auteurs ont montrés que le métabarcoding des bactéries naturellement présentes dans un sol permettait de distinguer les sols non pollués de ceux contaminés par l'uranium, les nitrates ou des hydrocarbures, et cela même lorsque les contaminations ne sont plus détectables par les méthodes analytiques traditionnelles.

Des méthodes de phytoscreening et dendrochimie ont aussi été récemment développées, également dans le cadre de projets portés par l'ADEME. Les arbres permettent via le phytoscreening (analyse de la partie superficielle du tronc des arbres) d'analyser des échanges récents avec la nappe phréatique et de dater les pollutions via la dendrochimie (analyse d'un échantillon de bois allant de l'écorce jusqu'au cœur). L'analyse des nombreuses données obtenues en dendrochimie est désormais facilitée par le logiciel libre, SCANCHEM. Ces méthodes permettent par exemple la détection de solvants chlorés légers comme le perchloréthylène (cf projet SILPHES) et aussi celle des métaux,
HAP, PCB, pesticides, dérivés azotés et radionucléides. Cependant la sensibilité de la méthode en fait un outil d'alerte plus qu'un outil de surveillance sur le long terme. Des recherches sont encore nécessaires pour comprendre les mécanismes de contamination et de transfert des polluants entre sols, nappes phréatiques et arbres. En effet, on ne peut pas totalement écarter les expositions aériennes via les feuilles, épines et écorces. Intéressant de faire en complément un suivi sur ces compartiments ("Proceedings 3ème Rencontres Nationales de La Recherche Sur Les Sites & Sols Pollués" 2014).
<table><caption>Tableau 7 : Projets de recherche développés dans le cadre du programme « Bioindicateurs de la qualité des sols » porté par l'ADEME et ayant fait l'objet de fiches outils</caption><thead><tr><td>Nom de l'indicateur</td><td>Bioindication /Ecotoxicologie</td><td>Organisme cible</td><td>Type de pollution</td><td>Type de bioindicateur/principe</td></tr></thead><tbody><tr><td>Les escargots, bioindicateurs de la biodisponibilité de contaminants sur site - Indice SET : Somme des Excès de Transfert.</td><td>Bioindication active in situ</td><td>Escargots</td><td>divers contaminants, surtout ETM</td><td>Bioindicateurs d'accumulation : l'analyse des concentrations internes est réalisée dans les viscères d'escargots exposés 28 jours sur site (= méthode statique2 : 1 seule durée d'exposition). Les analyses sont généralement faites dans cette partie du corps qui concentre souvent les contaminants (métaux notamment</td></tr><tr><td>Oméga 3 : les acides gras des végétaux outils de diagnostic et de surveillance de la pollution des sols.</td><td>Biomarqueur biochimique</td><td>Végétaux</td><td>divers contaminants (métaux et organiques)</td><td>Norme de la méthode d'analyse : AFNOR XP-X31 233 - Qualité du sol - Effets des sols contaminés sur la composition en acides gras foliaires de Lactuca sativa.</td></tr><tr><td>Les teneurs foliaires en éléments traces métalliques (ETMs) dans les communautés végétales, indicateur de la phytodisponibilité des contaminants, l'indice Phytomet.</td><td>Bioindicateurs d'accumulation</td><td>Végétaux</td><td>EMT (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb et Zn)</td><td>Les analyses de la composition élémentaire des échantillons minéralisés, sont réalisées par spectrométrie d'émission atomique (ICP-AES). Un descripteur unique, l'indice PhytoMet, intégrant la phytodisponibilité et la toxicité potentielle des principaux ETMs peut être calculé ensuite et permet de discriminer nettement des sites multicontaminés vis-à-vis des risques de transfert vers les consommateurs primaires.</td></tr><tr><td>les activités enzymatiques du sol liées à l'activité des microorganismes</td><td>Biomarqueurs de fonctionnement du sol.</td><td>Microorganismes</td><td>divers contaminants (métaux (As) et organiques)</td><td>Ces indicateurs permettent l'évaluation de la qualité des sols, et ainsi l'orientation plus judicieuse des procédures de gestion des sols. Ils permettent aussi de mettre en évidence des contaminations notamment organiques et métalliques sur les sites pollués</td></tr><tr><td>Détermination de la respiration des sols à l'aide du système automatisé Oxitop®</td><td>Bioindicateur d'effet in situ</td><td>Microorganismes</td><td></td><td>Le système Oxitop® control est une marque déposée (WTW, Weilheim, Allemagne) permettant la mesure en continu de la respiration microbienne des sols. Le système, ainsi que les protocoles de mesure, sont disponibles auprès du fournisseur et des distributeurs. Ils ont fait l'objet de procédures de normalisation ; Normes ISO 16072 : 2002 et DIN 19 737.</td></tr><tr><td>Les vers de terre, densité et biodiversité des communautés lombriciennes.</td><td>Bioindicateur d'effet in situ</td><td>Lombriciens</td><td></td><td>L'OPVT (Observatoire Participatif des Vers de Terre) est un outil d'évaluation simplifié de la biodiversité des sols à l'aide des vers de terre. http://ecobiosoil.univ-rennes1.fr/OPVT accueil.php</td></tr><tr><td>La nématofaune = la communauté des nématodes libres et phytophages vivants dans le sol. Les nématodes du sol sont des vers microscopiques (de l'ordre d'1 millimètre de longueur).</td><td>Bioindicateurs d'effets et d'impacts</td><td>Nématodes</td><td>divers contaminants</td><td>Sur la base de la composition et de l'abondance de la nématofaune du sol, des indices sont calculés (SI, indice de structure; EI, Indice d'enrichissement; MI, Indice de maturité; PPI, Indice des nématodes PhytoPhages et le IVD, Indice des Voies de Décomposition de la matière organique. Les méthodes sont normalisées : NF EN ISO 23611-4 oct 2011</td></tr><tr><td>Les microarthropodes du sol (Acariens et Collemboles), bioindicateurs de la qualité des sols</td><td>Bioindicateurs d'effet in situ</td><td>Microarthropodes du sol</td><td></td><td>Les protocoles de prélèvement sont aujourd'hui bien définis et normalisés (ISO 23611-2. 2004).</td></tr><tr><td>Des outils moléculaires pour diagnostiquer l'état microbiologique du sol</td><td>Bio-indicateurs pertinents, précoces et sensibles de l'évolution des sols</td><td>Microorganismes</td><td></td><td>Trois indicateurs moléculaires microbiens permettant de faire l'évaluation environnementale : Indicateur Biomasse Moléculaire Microbienne, Indicateur Empreinte Moléculaire des communautés microbiennes (bactéries et champignons), Indicateur Diversité Taxonomique microbienne. Les analyses moléculaires sont mises en oeuvre au sein de la plateforme GenoSol.</td></tr><tr><td>Biomasse Moléculaire Microbienne</td><td>Bioindicateur de qualité globale du sol</td><td>Microorganismes</td><td></td><td>La technique repose sur la quantification de l'ADN extrait directement à partir de l'échantillon de sol. Les protocoles d'extraction et de quantification sont développés et standardisés par la plateforme GenoSol</td></tr><tr><td>Empreinte moléculaire des communautés microbiennes du sol</td><td>Indicateur d'impact et de stabilité de la vie microbienne du sol</td><td>Microorganismes</td><td>diverses contaminations (métalliques, HAP, ...)</td><td>L'analyse moléculaire de la structure génétique des communautés repose sur la méthode de génotypage des communautés microbiennes (bactéries et champignons) appelée ARISA (Automated Ribosomal Intergenic Spacer Analysis)</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Nom de l'indicateur</td><td>Bioindication/ecotxicologie</td><td>Organisme cible</td><td>Type de pollution</td><td>Type de bioindicateur/principe</td></tr></thead><tbody><tr><td>Diversité Taxonomique Microbienne (pyroséquençage)</td><td>Indicateur du fonctionnement biologique du sol</td><td>Microorganismes</td><td></td><td>L'inventaire taxonomique des espèces présentes est réalisé directement à partir de l'ADN extrait du sol. Le protocole standardisé nécessite des équipements et des compétences techniques de pointe.</td></tr><tr><td>Expression génique de la métallothionéine chez les vers de terre, un indicateur de contamination métallique, notamment par le cadmium.</td><td>Biomarqueurs de l'impact écologique potentiels de contaminations</td><td>Lombriciens</td><td>pesticides, les hydrocarbures et les ETMs provenant de sources anthropiques</td><td>L'analyse des changements d'expression des gènes chez des organismes sentinelles permet de diagnostiquer l'existence d'un stress dans une population et d'en analyser de façon mécanistique la réponse</td></tr><tr><td>Diversité métabolique potentielle des bactéries cultivables du sol (DMP) représentée par la richesse fonctionnelle (RF : nombre de puits positifs) et l'activité métabolique globale de la plaque (AWCD).</td><td>Biomarqueurs d'effet et d'exposition.</td><td>Microorganismes</td><td>divers contaminants (métaux et organiques)</td><td>Le dispositif Biolog a été adapté pour l'étude des bactéries de l'environnement et standardisé pour les bactéries du sol. La DMP permet souvent d'observer des effets liés aux modifications de l'occupation du sol et de son usage, aux contaminations métalliques et organiques, et aux modifications physico-chimiques des sols.</td></tr><tr><td>Biomasse moléculaire fongique estimée par quantification de l'ergostérol extrait du sol.</td><td>Biomarqueur d'effet et d'exposition</td><td>Champignons</td><td>divers contaminants (métaux et organiques)</td><td>Le marqueur « ergostérol » intègre tous les facteurs modulant la biomasse fongique des sols, il apporte des informations sur la dynamique des communautés fongiques. Enfin il peut permettre de qualifier l'effet de pratiques agricoles, de polluants organiques ou métalliques (tout étant égal par ailleurs).</td></tr><tr><td>Bioaccumulation des éléments métalliques par les micromammifères</td><td>Bioindicateurs d'accumulation</td><td>Micromammifères</td><td>ETM</td><td>L'analyse des concentrations internes en éléments trace métallique (ETMs) est réalisée dans les organes cibles (reins) ou d'accumulation (foie) des micromammifères.</td></tr><tr><td>Fonctionnement des systèmes photosynthétiques des plantes supérieures, bio-indicateur de la contamination des sols.</td><td>Biomarqueur d'effet</td><td>Végétaux</td><td></td><td>La mesure des paramètres est effectuée in situ grâce à des appareils portables. Cette méthode permet de caractériser la qualité d'un sol avant l'apparition de symptômes de stress au niveau des plantes. L'indice permet d'évaluer la présence ou non de contamination des sols et est complémentaire aux analyses physico-chimiques.</td></tr><tr><td>Biomasse moléculaire fongique estimée par quantification des ADN ribosomaux spécifiques des champignons.</td><td>Biomarqueur d'effet et d'exposition.</td><td>Champignons</td><td></td><td>La biomasse moléculaire fongique permet de déceler les impacts anthropiques liés au travail du sol ou à la présence de polluants (diminution de la biomasse). Cette métrique varie en fonction du type et l'âge du peuplement végétal qui agit qualitativement et quantitativement sur les fonges.</td></tr></tbody></table>
# VIII. Biocapteurs développés ou en cours de développement ciblés sur des groupes de molécules d'intérêt

## 1. Les perturbateurs endocriniens

### a. Définition

De nombreux composés chimiques d'origine anthropique ou naturelle sont maintenant connus pour modifier le fonctionnement normal du système endocrinien de l'homme et des animaux et d'induire des pathologies sévères chez les organismes vivants et leur descendance. Ce sont des perturbateurs endocriniens.

La définition des perturbateurs endocriniens la plus communément admise est celle proposée par l'Organisation mondiale de la santé en 2002 : "Un perturbateur endocrinien est une substance ou un mélange de substances, qui altère les fonctions du système endocrinien et de ce fait induit des effets néfastes dans un organisme intact, chez sa progéniture ou au sein de (sous)- populations".

La définition réglementaire d'un perturbateur endocrinien a, quant à elle, été adoptée par la Commission européenne le 28 juin 2017. Le texte mentionne « qu'une substance phytopharmaceutique ou biocide est considérée comme un perturbateur endocrinien si elle a des effets indésirables sur la santé humaine ». Cette définition a très récemment été invalidée (4 octobre 2017) par le Parlement européen qui a jugé que le niveau de preuve de toxicité exigé était trop élevé et que, par conséquent, trop de molécules potentiellement toxiques ne seraient pas considérées comme des perturbateurs endocriniens.

La nature chimique, l'origine et les usages de ces molécules sont très variés. Les alkylphénols, le bisphénol A (issu de la dégradation de matières plastiques et de certaines résines), des composés chlorés, des pesticides, le 17α éthinyl-oestradiol (contraceptif), des phyto-oestrogènes, des myco-oestrogènes, etc. sont des perturbateurs endocriniens connus mais il existe de nombreuses autres molécules ayant potentiellement cette même toxicité.

Le rapport d'expertise collective AFSSET-INSERM - Cancer Environnement propose la liste non exhaustive ci-dessous :

<table><tr><td>Pesticides</td><td>Acetochlor, Alachlor, Aldrin, Allethrin, Amitrol, Atrazine, Carbaryl, Chlordane, Chlofentezine, p,p'-DDE, DDT, Dieldrin, Dicofol, Endosulfan, Éthylène thiourée, Fenarimol, Fenbuconazole, Fenitrothion, Fenvalarate, Fipronil, Heptachlor, Heptaclor epoxide, Iprodione, Kepone, Ketoconazole, Lindane, Linuron, Malathion, Mancozeb, Maneb, Methomyl, Methoxychlor, Metribuzen, Mirex, Nitrofen, Nonachlor, Oxychlordane, Pentachloronitrobenzene, Permethrine, Procymidone, Prodiamine, Pyrimethanil, Sumithrin, Tarstar, Thiazopyr, Thiram, Toxaphene, Tributylétain, Trifluralin, Vinclozolin, Zineb, Ziram (T)</td></tr><tr><td>Divers</td><td>Butyl-hydroxyanisole, Phtalates, Benzophenone, Bisphenol A, benzo(a)pyrene, Carbendazim, Éthane-diméthane-sulfonate, Perfluoroctane sulfonates, Alkyphénols, Resorcinol, Styrène dimères, trimères, Cd, Pb, Hg</td></tr><tr><td>Organohalogénés persistants</td><td>1,2-dibromoéthane, Chloroforme, Dioxines et furanes, Octachlorostyrene, PCBs, PBDEs, Pentachlorophenol, TBBPA</td></tr></table>

### b. Origine

Le Tableau 8 ci-dessous issu du même rapport précise l'origine des différentes catégories de perturbateurs endocriniens. Ces molécules sont des polluants classiques, largement identifiés dans l'environnement depuis longtemps et issus de toutes les activités humaines. Ils ont été identifiés dans toutes les matrices.
<table><caption>Tableau 8 : Exemples de famille de composés perturbateurs endocriniens et leurs sources de diffusion dans l'environnement</caption><thead><tr><td>Famille chimique</td><td>Sources potentielles</td><td>Exemples</td></tr></thead><tbody><tr><td>Phtalates</td><td>Plastiques, cosmétiques</td><td>Dibutyl phtalate</td></tr><tr><td>Alkylphénols</td><td>Détergents, plastiques, pesticides</td><td>Nonylphenol</td></tr><tr><td>Retardateurs de flamme</td><td>Mousses pour les mobiliers, tapis, équipements électroniques</td><td>Polybromodiphényls (PBDE)</td></tr><tr><td>Hydrocarbures aromatiques polycycliques</td><td>Sources de combustion : fumée de cigarette, émissions des moteurs diesels, incendies</td><td>Benzo(a)pyrène</td></tr><tr><td>Polychlorobiphényls</td><td>Transformateurs électriques</td><td>PCB, Arochlor</td></tr><tr><td>Anciens pesticides</td><td>Résiduels de stockage, pollution rémanente</td><td>DDT, dieldrine, chlordane</td></tr><tr><td>Pesticides actuels</td><td>Agriculture, nettoyages urbains, jardins particuliers</td><td>Cf. tableau précédent</td></tr><tr><td>Dérivés phénoliques</td><td>Désinfectants, plastiques, cosmétiques</td><td>Bisphénols A, parabens, halogéno-phénols</td></tr></tbody></table>

### C. Les biocapteurs développés pour la détection des perturbateurs endocriniens

L'usage de biocapteurs d'effet dont le fonctionnement peut être fondé sur les effets biologiques des molécules cible plus que sur leur nature physico-chimique s'avère particulièrement pertinent pour la détection de polluants perturbateurs endocriniens (Zhenzhong 2014). De plus, les méthodes classiques de détection et de mesures de ces polluants (HPLC) sont coûteuses, chronophages et nécessitent du personnel hautement qualifié, elles sont donc pénalisantes pour une véritable évaluation du risque et des études épidémiologiques à grande échelle. C'est pourquoi il existe déjà de nombreux travaux visant le développement de biocapteurs permettant la détection de perturbateurs endocriniens, notamment du 17β œstradiol. La plupart de ces biocapteurs sont électrochimiques ou optiques, le récepteur étant un anticorps, un aptamère ou un récepteur membranaire œstrogénique. Cependant, même si la plupart des travaux identifiés apportent la preuve de concept de la technologie, dans la plupart des cas, d'autres développements méthodologiques sont indispensables pour la conception de biocapteurs sensu stricto.

Des tests sur échantillons naturels ont parfois été conduits avec succès, par exemple, sur des effluents d'hôpitaux dans le cas des travaux menés par Zhenzhong (2014) ou pour tester un biocapteur à aptamère permettant la détection de 17β œstradiol avec une sensibilité de l'ordre du fentoMolaire (Nguyen, Kwon, and Gu 2017).

Les tableaux 9 et 10 ci-dessous listent les différents types de biocapteurs développés avec l'objectif de mettre en évidence et de mesurer le 17β œstradiol et le bisphénol A dans l'environnement. Certaines de ces méthodes permettent également la mesure d'autres molécules ayant une activité œstrogénique ou des composés phénoliques proches du Bisphénol A.

Aucun biocapteur commercialisé n'a été identifié que ce soit à la faveur des recherches menées dans les diverses bases de données ou des nombreux entretiens conduits.
Il existe néanmoins des kits de diagnostic commercialisés par la société ABRAXYX. Ces tests reposent sur une technique ELISA basée sur une réaction biologique mais qui ne répond pas à la définition sensu stricto d'un biocapteur.

d. Autres approches concernant les perturbateurs endocriniens : les bioessais

De gros efforts de recherche ont été réalisés notamment à la faveur du programme ECHIBIOTEB (ANR Ecotech 2010) dont l'objectif a été de développer et de mettre en œuvre des technologies innovantes d'échantillonnage et de mesures chimiques et biologiques pour le suivi des procédés avancés de traitement des eaux usées urbaines et des boues. Ces recherches ont abouti

* au développement des POCIS (Polar Organic Chemical Sampler) et des SPMD (Semi Permeable Membrane Device) respectivement utilisés pour échantillonner les composés hydrophiles et les composés hydrophobes ;

* à la mise au point d'une batterie de bioessais in vitro complémentaires, comprenant

ole SOS Chromotest => mise en évidence de molécules génotoxiques et pro-génotoxiques (HAP, HAP nitrés, amines aromatiques, nitrosamines, certains pesticides et solvants organochlorés, métaux lourds, anticancéreux),

odes tests sur divers lignées cellulaires et divers récepteurs cellulaires (œstrogènes, hormone thyroïdiennes, androgènes et glucocorticoïdes, dioxine), tel le CALUX (Figure 31)

* à la mise au point de bioessais in vivo, pour évaluer les effets des micropolluants en mélange sur des organismes biologiques représentatifs des milieux récepteurs des rejets étudiés (sols et rivières). Pour cela quatre types d'organismes ont été testés : les gammares (crustacés), les chironomes (insectes), les potamos (mollusques) ainsi que des larves de médakas (poissons). Différentes réponses sont étudiées telles que la survie, la croissance, le taux d'alimentation, la reproduction, ...

* à la recherche de nouvelles molécules par une démarche EDA (Effect Directed Analysis).

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>Figure 31 : Principe des tests cellulaires *in vitro* basés sur l'interaction ligand/récepteur au sein d'une cellule, à l'origine du test CALUX</figcaption></figure>

Le Chemical Activated LUCiferase gene eXpression (CALUX) est un bioessai utilisé depuis des années dans le domaine de l'agroalimentaire, notamment pour détecter des composés dioxin-like dans les denrées alimentaires. Il est basé sur la capacité de récepteurs cellulaire à se lier à des molécules polluantes ce qui induit une réponse de la cellule. L'utilisation de cultures cellulaires modifiées permet de rendre cette réaction cellulaire visible. Ce test peut être adaptés à divers récepteurs (œstrogènes, hormone thyroïdiennes, androgènes et glucocorticoïdes, dioxine) et permettre ainsi d'évaluer la présence de divers types de polluants (perturbateurs endocriniens, composés dioxin-like...)

Des bioessais colorimétriques basés sur des cellules de levures modifiées, intégrant un récepteur œstrogénique ou androgénique, ou des bactéries (*Comamonas testoreni*), présentes dans l'eau et le sol, exprimant naturellement des enzymes capables de dégrader des stéroïdes, ont également permis d'identifier des œstrogènes et des androgènes dans des eaux courantes de surface, des eaux sous-terraines, des stations d'épuration ou encore des élevages laitiers, avec une sensibilité de l'ordre du ng/L (Maser and Xiong 2010).

BIOMAE et WATCHFROG commercialisent des bioessais *in vitro* et *in vivo* sur le même principe que ceux mis en œuvre dans le cadre d'ECHIBIOTEB (cf Tableau 4, p47). Bien que très pertinents pour l'évaluation de la qualité des milieux et des risques, ces méthodes ne sont pas des biocapteurs sensu stricto.
<table><caption>Tableau 9 : Biocapteurs, développés jusqu'à un stade de maturité technologique élevé mais non commercialisés, pour la détection du 17 β œstradiol principalement</caption><thead><tr><th colspan="10">Travaux de recherche</th></tr><tr><th>Molécule</th><th>Type de récepteur</th><th>Type de transducteur</th><th>Type de signal</th><th>Matrice</th><th>Stade de maturité technologique</th><th>Limite de détection</th><th>Gamme de détection</th><th>Références bibliographiques</th></tr></thead><tbody><tr><td>17β œstradiol</td><td>Aptamère (ADN)</td><td>Puce fonctionnalisée avec de l'or</td><td>Electrochimique (square wave voltametry ou SWV)</td><td rowspan="10">Eau</td><td rowspan="10">Recherche appliquée permettant de faire la preuve du concept et de déterminer les principales caractéristiques de la méthode.</td><td>1pM</td><td>10pM - 1nM</td><td>Y. S. Kim, H. S. Jung, T. Matsuura, H. Y. Lee, T. Kawai, M. B. Gu, Electrochemical detection of 17β-estradiol using DNA aptamer immobilized gold electrode chip. Biosensors and Bioelectronics, 22, 2007, 2525-2531.</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Aptamère (ADN)</td><td>Electrode fonctionnalisée avec de l'or</td><td>Electrochimique (Impédance)</td><td>2pM</td><td>10pM - 10nM</td><td>Z. Y. Lin, L. F. Chen, G. Y. Zhang, Q. D. Liu, B. Qiu, Z. W. Cai, G. N. Chen, Label-free aptamer-based electrochemical impedance biosensor for 17beta-oestradiol. Analyst, 137, 2012, 819-822.</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Récepteur membranaire à œstradiol</td><td>Electrode fonctionnalisée avec de l'or</td><td>Electrochimique (Impédance)</td><td>0,1 pM</td><td>0,1 pM - 1 nM</td><td>B. K. Kim, J. Li, J. E. Im, K. S. Ahn, T. S. Park, S. I. Cho, Y. R. Kim, W. Y. Lee, Impedometric estrogen biosensor based on estrogen receptor alpha-immobilized gold electrode. Journal of Electroanalytical Chemistry, 671, 2012, 106-111.</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Anticorps</td><td>Electrode fonctionnalisée avec de l'or modifié par des nanoparticules</td><td>Electrochimique (Impédance et SWV)</td><td>66pM (SWV)<br>95 pM (impédance)</td><td>0 - 4,4 nM (SWV)<br>(Impédance)</td><td>X. Liu, P. A. Duckworth, D. K.Y. Wong, Square wave voltammetry versus electrochemical impedance spectroscopy as a rapid detection technique at electrochemical immunosensors. Biosensors and Bioelectronics, 25, 2010, 1467-1473.</td></tr><tr><td>17β œstradiol et autres perturbateurs endocriniens</td><td>Récepteur membranaire à œstradiol dans une double couche lipidique</td><td>Electrode fonctionnalisée avec de l'or modifié par des nanoparticules</td><td>Electrochimique (Impédance)</td><td>1 ng/L (17β œstradiol)</td><td>5-150 ng/L (17β œstradiol)<br>180 µg/L (Bisphenol A)<br>30-890 µg/L (4-nonylphenol)</td><td>W. Xia, Y. Y. Li, Y. J. Wan, T. A. Chen, J. Wei, Y. Lin, S. Q. Xu, Electrochemical biosensor for estrogenic substance using lipid bilayers modified by Au nanoparticles. Biosensors and Bioelectronics, 25, 2010, 2253-2258.</td></tr><tr><td>17β œstradiol, diethylstilbestrol (DES), 4-nonylphenol (NP) and 4-n-octylphenol (OP)</td><td>Récepteur membranaire à œstradiol, recombinant, immobilisé sur une surface fibreuse (compétition entre les xenocétrogènes de l'échantillon et les anticorps monoclonaux dirigés contre le récepteur et marqués)</td><td>Fibre optique</td><td>Optique (Fluorescence)</td><td></td><td>0,07-0,41 ng/mL</td><td>Liu, LH; Zhou, XH; Lu, Y; Shan, DD; Xu, B; He, MA; Shi, HC; Qian, Y, Facile screening of potential xenocytrogens by an estrogen receptor-based reusable optical biosensor, Biosensors and Bioelectronics, 29, 2011, 29-33.</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Récepteur membranaire à œstradiol dans une membrane à empreinte moléculaire (MIP)</td><td>Electrode fonctionnalisée avec du platinium modifié par des nanoparticules</td><td>Electrochimique (Impédance)</td><td></td><td>16 nM</td><td>30nM - 50 µM</td><td>L. Yuan, J. Zhang, P. Zhou, J. Chen, R. Wang, T. Wen, Y. Li, X. Zhou, H. Jiang, Electrochemical sensor based on molecularly imprinted membranes at platinum nanoparticles-modified electrode for determination of 17beta-estradiol. Biosensors and Bioelectronics, 29, 2011, 29-33.</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Nanotubes</td><td>Electrode de carbone modifiée avec un film nano-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub></td><td>Electrochimique (Voltamétrie)</td><td></td><td>80 nM</td><td>0,4 µM - 40 µM</td><td>Q. He, S. Yuan, C. Chen, S. Hu, Electrochemical properties of estradiol at glassy carbon electrode modified with nano-Al2O3 film. Materials Science and Engineering: C, 23, 2003, 621-625.</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Nanotubes</td><td>Electrode de carbone modifiée</td><td>Electrochimique (Voltamétrie)</td><td></td><td>0,5 µM</td><td>0,5 µM - 15 µM</td><td>X. Lin, Y. Li, A sensitive determination of estrogens with a Pt nano-clusters/multi-walled carbon nanotubes modified glassy carbon electrode. Biosensors and Bioelectronics, 22, 2006, 253-259.</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Nanotubes</td><td></td><td>Electrochimique (Voltamétrie)</td><td></td><td>60 nM</td><td>0,5 µM - 40 µM</td><td>X. Q. Liu, D. K.Y. Wong, Electro catalytic detection of estradiol at a carbon nanotube| Ni (Cyclam) composite electrode fabricated based on a two-factorial design. Analytica Chimica Acta, 594, 2007, 184-191.</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Nanotubes</td><td>Electrode de carbone modifiée</td><td>Electrochimique (Voltamétrie)</td><td></td><td>20 nM</td><td>0,1 µM - 30 µM</td><td>J. C. Song, J. Yang, X. M. Hu, Electrochemical determination of estradiol using a poly (L-serine) film-modified electrode. Journal of Applied Electrochemistry, 38, 2008, 833-836.</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Nanotubes</td><td>Electrode de graphite modifiée par une technique "Layer by layer"</td><td>Electrochimique (Voltamétrie)</td><td></td><td>10 nM</td><td>70nM - 42 µM</td><td>G. G. Hao, D. Y. Zheng, T. A. Gan, C. G. Hu, S. S. Hu, Development and application of estradiol sensor based on layer-by-layer assembling technique. Journal of Experimental Nanoscience, 6, 2011, 13-28.</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Récepteur membranaire à œstradiol</td><td>Electrode fonctionnalisée avec de l'or modifié (schéma ci-dessous)</td><td>Electrochimique (SWV)</td><td></td><td>1fM</td><td>1fM-1nM</td><td>Zhenzhong Guo. Development of electrochemical biosensors for environmental pollutant and food safety monitoring. Analytical chemistry. Université Claude Bernard - Lyon I, 2014. English. NNT: 2014LYO10044</td></tr><tr><td>17β œstradiol</td><td>Aptamère hybride associé à des nanotubes de TiO<sub>2</sub> modifiés avec des particules de CdSe</td><td></td><td>Photoélectrochimie</td><td>tests sur échantillons naturels (eaux médicales résiduaires, eau du robinet, lac)</td><td></td><td>fM</td><td></td><td>Fan L, Zhao G, Shi H, Liu M, Wang Y, Ke H: A femtomolar level and highly selective 17β-estradiol photoelectrochemical aptasensor applied in environmental water samples analysis. Environ Sci Technol 2014, 48:5754-5761.</td></tr><tr><td>Toutes molécules ayant une activité œstrogénique (œstradiol, bisphénol A, etc.)</td><td>Récepteur membranaire α à œstradiol exprimé à la surface d'Escherichia coli</td><td>Electrode fonctionnalisée avec une protéine ayant la propriété de se lier au récepteur α uniquement lorsque celui-ci est occupé (sandwich assay)</td><td>Electrochimique (Impédance)</td><td>méthode permettant de mesurer une activité oestrogénique dans des échantillons complexes</td><td></td><td>de l'ordre du fM</td><td></td><td>Furst AL., Hoepker AC., Francis MB. Quantifying Hormone Disruptors with an Engineered Bacterial Biosensor. ACS Cent. Sci. 2017, 3, 110-116. DOI: 10.1021/acscentsci.6b00322</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Tableau 10 : Autre méthode analytique disponible pour la détection du 17 β oestradiol principalement</figcaption></figure>

<table><thead><tr><th colspan="6">Méthode analytique commercialisée</th></tr><tr><th>Molécules détectées</th><th>Nom commercial, usages</th><th>Principe technologique</th><th>Matrice</th><th>Commercialisation</th><th>Remarques</th></tr></thead><tbody><tr><td>17β oestradiol</td><td>Test ELISA commercialisé sous forme de Kits</td><td>Gamme de détection = 0,05-1µg/L (ppb) (cf mode d'emploi)</td><td>Eaux</td><td>Abraxis LLC<br>Sales Department<br>Northhampton Center<br>54 Steamwhistle Drive<br>Warminster, Pennsylvania, 18974<br>Phone: (215) 357-3911<br>Fax: (215) 357-5232<br>Email: info@abraxiskits.com<br>WEB: www.abraxiskits.com</td><td></td></tr></tbody></table>
<table><caption>Tableau 11 : Biocapteurs, développés jusqu'à un stade de maturité technologique élevé mais non commercialisés, pour la détection du bisphenol A principalement</caption><thead><tr><th colspan="11">Travaux de recherche</th></tr><tr><th>Molécule</th><th>Type de récepteur</th><th>Type de transducteur</th><th>Type de signal</th><th>Matrice</th><th>Stade de maturité technologique</th><th>Limite de détection</th><th>Gamme de détection</th><th>Références bibliographiques</th><th>Remarques/précisions (avantages et inconvénients)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Bisphenol A et composés phénolés</td><td>Enzymes (tyrosinase) fonctionnalisées avec différentes nanoparticules (Oxydes de Fe, nanoparticules d'Au et nanoparticules de Ni)</td><td>Electrochimique</td><td>Ampérométrique</td><td>Solution aqueuse</td><td>Bioessais</td><td>8,3.10<sup>-9</sup> M (Oxydes de Fe); 1.10<sup>-8</sup> M (nanoparticules d'Au); 7,1.10<sup>-9</sup> M (nanoparticules de Ni)</td><td>2,2.10<sup>-8</sup> - 4.10<sup>-5</sup> M (Oxydes de Fe) 4.2.10<sup>-8</sup> - 3.6.10<sup>-5</sup> M (nanoparticules d'Au) 9.1.10<sup>-7</sup> - 4.8.10<sup>-5</sup> M (nanoparticules de Ni)</td><td>Alkasir R. S. J., Ganesana M., Won Y-H., Stanciu L. and Andreescu S. Enzyme functionalized nanoparticles for electrochemical biosensors: A comparative study with applications for the detection of bisphenol A. Biosensors and Bioelectronics 26 (2010) 43-49. doi:10.1016/j.bios.2010.05.001</td><td>Les électrodes fonctionnalisées avec des nanoparticules de Ni sont plus performantes que celles fonctionnalisées avec de l'oxyde de Fe ou de l'or. Elles permettent une détection du BPA de l'ordre du nanomolaire</td></tr><tr><td>Composés phénoliques dont le phénol, le Bisphenol A (BPA), le catechol et les crésols</td><td>Enzymes (tyrosinase) enfichassées entre des couches alternées de chitosan et d'électrolytes, déposées sur une bandelette de papier</td><td>Optique : la réaction enzymatique entre la molécule cible et la tyrosinase produit une quinone qui se complexe avec le chitosan, ce qui induit un changement de couleur visible à l'oeil nu pouvant être optimisé par analyse d'image</td><td>Colorimétrique (mesure de l'intensité de la couleur)</td><td>Eaux (Eau du robinet, Eau de rivière)</td><td>Bioessais. La preuve de concept de la technologie, y compris sur des échantillons naturels et la technique de production de masse du récepteur sont acquises.</td><td>0.86 µg/L</td><td></td><td>Alkasir R. S. J., Ornatska M. and Andreescu S. Colorimetric Paper Bioassay for the Detection of Phenolic Compounds. Anal. Chem. 2012, 84, 9729-9737. dx.doi.org/10.1021/ac301110d</td><td>Cette technologie peut être facilement adaptée à d'autres polluants comme les COV, les phthalates ou les pesticides</td></tr><tr><td>Bisphenol A (BPA)</td><td>Enzyme (Tyrosinase enfichassée entre des couches alternées de chitosan et d'électrolytes, déposées sur une bandelette de papier)</td><td>Optique : la réaction enzymatique entre le BPA et la tyrosinase produit une quinone qui se complexe avec le chitosan, ce qui induit un changement de couleur visible à l'oeil nu pouvant être optimisé par analyse d'image</td><td>Colorimétrique (mesure de l'intensité de la couleur)</td><td>Air intérieur, poussières</td><td>Biocapteur (appareil portable intégrant l'échantillonnage et l'analyse de BPA)</td><td>0,28 µg/g</td><td>0,05 - 3,87 µg/g</td><td>Alkasir R. S. J., Rossner A. and Andreescu S. Portable Colorimetric Paper-Based Biosensing Device for the Assessment of Bisphenol A in Indoor Dust. Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 9889-9897. DOI: 10.1021/acs.est.5b01588</td><td>Perspective de couplage avec une téléphone portable pour l'appréciation de la couleur; Perspectives d'application à d'autres polluants comme les composés organiques volatiles (COV), les phthalates et les pesticides pour une meilleur appréciation du risque et des études épidémiologiques de grande ampleur</td></tr><tr><td>Bisphenol A (BPA)</td><td>Anticorps anti-BPA (extrait de sérum de bovin), immobilisés à la surface de la fibre optique (compétition entre le BPA de l'échantillon et les anticorps monoclonaux marqués dirigés contre les anticorps anti-BPA)</td><td>Fibre optique à champ évanescent couplée à une capsule microfluidique constituant une plateforme</td><td>Optique (Fluorescence)</td><td>Eau</td><td>Construction d'une plateforme transportable</td><td>0,06 µg/L</td><td>0,5 - 100 µg/L</td><td>Long F., Zhu A., Zhou X., Wang H., Zhao Z., Liu L., Shi H. Highly sensitive and selectiveoptofluidics-based immunosensor for rapid assessment of Bisphenol A leaching risk. Biosensors andBioelectronics55(2014)19-25</td><td>Essais concluants pratiqués sur des échantillons d'eau contenus dans des bouteilles en polycarbonates chauffés. La plateforme permet ainsi de réaliser des analyses rapides (<15 min), reproductibles, sensibles, sur site, et ainsi d'apprécier le risque en temps réel lié à l'eau potable et aux aliments.</td></tr><tr><td>Bisphenol A (BPA)</td><td>Anticorps</td><td>Plateforme portable constituée de 6 canaux permettant une mesure optique par SPR</td><td>Optique (Résonance Plasmonique de Surface)</td><td>Eau</td><td></td><td>0,08 ng/ml (sur une solution saline tamponnée) 0,14 ng/ml (sur des eaux usées)</td><td>0,05 - 1 ng/ml</td><td>Hegnerová K., Piliárík M., Šteinbachová M., Flegelová Z., Černohorská H. and Homola J. Detection of bisphenol A using a novel surface plasmon resonance biosensor. Anal. Bioanal. Chem (2010) 398:1963-1966. DOI 10.1007/s00216-010-4067-z</td><td>La plateforme permet une détection plus sensible du BPA dans les eaux usées que les méthodes classiques (ELISA et HPLC). Ce biocapteur pourrait être employé pour des échantillons environnementaux.</td></tr><tr><td>Bisphenol A (BPA)</td><td>Aptamère</td><td>Electrochimique</td><td>Square wave voltametry (SWV) et Impedance spectroscopy (EIS)</td><td>Eau, aliments</td><td>La publication ne mentionne pas de tests sur échantillons naturels</td><td>10<sup>-11</sup> mol L<sup>-1</sup></td><td>10<sup>-11</sup> à 10<sup>-6</sup> mol L<sup>-1</sup></td><td>Imen Kazane, Karine Gorgy, Chantal Gondran, Nicolas Spinelli, Ali Zazoua, E. Defrancq and Serge Cosnier. Highly Sensitive Bisphenol-A Electrochemical Aptasensor Based on Poly(Pyrrole-Nitrilotriacetic Acid)-Aptamer Film. Anal. Chem. 2016, 88, 7268-7273. DOI: 10.1021/acs.analchem.6b01574</td><td>Sensibilité et spécificité élevées. Cette étude fait la preuve de concept de cet aptacapteur</td></tr></tbody></table>

<table><caption>Tableau 12 : Autres méthodes analytiques disponibles et commercialisées pour la détection du bisphenol A principalement</caption><thead><tr><th colspan="6">Méthode analytique commercialisée</th></tr><tr><th>Molécules détectées</th><th>Nom commercial, usages</th><th>Principe technologique</th><th>Matrice</th><th>Commercialisation</th><th>Remarques</th></tr></thead><tbody><tr><td>Bisphenol A (BPA)</td><td>Test ELISA commercialisé sous forme de Kits (plaques 96 puits) par la société ABRAXYS (USA)</td><td>Immuniessai. La lecture des résultats nécessite l'usage d'un spectrophotomètre (cf mode d'emploi); gamme de détection = 0,05-1µg/L (ppb)</td><td>Eaux</td><td>ABRAXIS (USA)</td><td></td></tr><tr><td>Perturbateurs endocriniens</td><td>Bioessai réalisé par une plateforme de criblage (Plateforme Protéomique Imagerie et Interactions moléculaires (PP2I) pour le compte des industriels (agroalimentaire, gestionnaires d'eaux usées), des hopitaux,</td><td>Biorécepteur nucléaire (proteine qui se lie à l'ADN et qui induit la transcription d'un gène spécifique) associé à un transducteur de type Résonnance Plasmonique de Surface (SPR)</td><td>Différentes matrices (eaux usées, aliments, sérum,...) avant extraction. Les échantillons doivent parvenir à la plate-forme sous forme d'un extraitEaux</td><td>Plateforme hébergée par l'Institut de Recherche Cancérologie de Montpellier (IRCM)</td><td>contact : patrick balaguer &lt;Patrick.Balaguer@montpellier.unicancer.fr&gt; Tel (33)-4 67 61 24 09 - Fax (33)-4 67 61 37 87</td></tr></tbody></table>