Un biocapteur qui utilise des bactéries pour générer de l’électricité

La décharge d’effluents organiques – déchets biodégradables provenant de plantes et d’animaux – dans les masses d’eau douce est une préoccupation environnementale majeure, affectant la santé et la durabilité de ces écosystèmes aquatiques.

Les méthodes actuellement disponibles pour inspecter la qualité de l’eau sont complexes et coûteuses. À cet égard, des chercheurs de l’Université Ritsumeikan, au Japon, ont récemment développé un biocapteur flottant, autonome et peu coûteux pour surveiller la qualité de l’eau à l’entrée des lacs et des rivières d’eau douce.

Une nouvelle approche pour surveiller la qualité de l’eau

« Nous avons développé un biocapteur flottant autonome basé sur une pile à combustible microbienne (MFC) pour la détection précoce des eaux usées organiques. Le boîtier de la MFC a été fabriqué par une imprimante 3D et les électrodes ont été fabriquées à partir de matériaux à base de carbone à faible coût », remarque le professeur Kozo Taguchi du Collège des sciences et de l’ingénierie, Département d’ingénierie électrique et électronique, de l’Université Ritsumeikan, qui a dirigé l’étude.

Les MFC génèrent de l’électricité avec l’aide de bactéries électrogènes. Ces micro-organismes produisent un courant électrique en conséquence de leur métabolisme biologique. La quantité d’électricité générée par la MFC est proportionnelle à la concentration des déchets organiques qui sont consommés par les micro-organismes électrogènes. Cette caractéristique est donc utilisée pour concevoir des biocapteurs de déchets organiques alimentés par des MFC.

Un biocapteur autonome et économique

En utilisant des matériaux à base de carbone peu coûteux, l’équipe de recherche japonaise a développé un biocapteur autonome basé sur une MFC flottante (FMFC) pour suivre en continu le niveau de contamination organique dans les lacs et les rivières.

Pour ce faire, l’équipe a rempli l’anode (l’électrode où se produit l’oxydation et où les électrons sont libérés) de la FMFC avec du sol contenant des bactéries électrogènes. Les bactéries anodiques ont ensuite décomposé la matière organique présente dans l’eau et converti l’énergie chimique stockée en électricité. La production électrique a ensuite été utilisée comme mesure des déchets organiques présents dans l’eau contaminée.

Bien que les chercheurs n’aient pas caractérisé les communautés bactériennes présentes dans l’échantillon de sol, ils ont supposé rationnellement que des micro-organismes des genres Geobacter, Shewanella et Pseudomonas contribuaient à l’activité électrique. Des études antérieures indiquent que les sols de rizière contiennent naturellement des bactéries électrogènes appartenant à ces genres.

Un indicateur visuel de la contamination

Ensuite, l’équipe a ajouté une diode électroluminescente (LED) à l’ensemble du biocapteur flottant. La LED a pu exploiter l’électricité produite par les bactéries électrogènes et indiquer visuellement le niveau de contamination organique dans les échantillons d’eau en cours d’investigation.

Elle a commencé à clignoter lorsque la demande chimique en oxygène (DCO) – un paramètre utilisé pour mesurer le niveau de contaminants organiques dans l’eau – a dépassé la valeur seuil de 60 mg/L.

De plus, la LED clignotait à un rythme accru lorsque la DCO dépassait significativement la valeur seuil.

Le professeur Taguchi ajoute : « Comme le biocapteur FMFC produit sa propre électricité, il ne nécessite aucune alimentation externe. De plus, il peut être utilisé dans des systèmes de détection précoce qui surveillent les afflux d’eaux usées organiques dans les masses d’eau douce ».

M. Trang Nakamoto et M. Dung Nakamoto, tous deux du Collège des sciences et de l’ingénierie, ont contribué au développement du biocapteur.

En synthèse

En résumé, les auteurs de l’étude ont conçu, développé et testé un biocapteur FMFC imprimé en 3D et économique qui surveille efficacement la contamination organique dans les masses d’eau douce.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un biocapteur flottant autonome ?

Un biocapteur flottant autonome est un dispositif qui utilise des bactéries pour générer de l’électricité et surveiller la qualité de l’eau. Il est autonome car il produit sa propre électricité et flotte sur l’eau pour surveiller la contamination organique.

Comment fonctionne une pile à combustible microbienne (MFC) ?

Une MFC génère de l’électricité avec l’aide de bactéries électrogènes. Ces micro-organismes produisent un courant électrique en conséquence de leur métabolisme biologique. La quantité d’électricité générée est proportionnelle à la concentration des déchets organiques consommés par les micro-organismes.

Qu’est-ce que la demande chimique en oxygène (DCO) ?

La DCO est un paramètre utilisé pour mesurer le niveau de contaminants organiques dans l’eau. Elle indique la quantité d’oxygène nécessaire pour oxyder tous les composés organiques présents dans l’eau.

Comment le biocapteur indique-t-il le niveau de contamination ?

Le biocapteur utilise une diode électroluminescente (LED) qui exploite l’électricité produite par les bactéries. La LED commence à clignoter lorsque la DCO dépasse une certaine valeur, indiquant ainsi le niveau de contamination organique.

Quels sont les avantages de ce biocapteur ?

Ce biocapteur est autonome, peu coûteux et peut être utilisé pour surveiller en continu la contamination organique dans les lacs et les rivières. Il peut être utilisé dans des systèmes de détection précoce pour surveiller les afflux d’eaux usées organiques dans les masses d’eau douce.

Le document a été publié dans le volume 200 du Biochemical Engineering Journal le 1er novembre 2023. Article : « Stand-alone floating microbial fuel cell-based biosensor for tracking organic pollution influx » – DOI: 10.1016/j.bej.2023.109087