Un biocapteur autonome pour détecter la présence de contaminants

Plusieurs activités humaines comportent des risques de contamination de l’environnement, entre autres l’exploitation des matières premières (pétrole, mines, etc.). Cette contamination, qui peut continuer même après l’arrêt des activités d’un site, peut se propager sur de longues distances en plus de varier dans le temps, ce qui nécessite une surveillance vigilante. La difficulté du suivi environnemental est souvent augmentée par l’éloignement de ces sites, lesquels ne sont pas nécessairement alimentés en énergie et par le temps et l’argent que nécessitent les essais de toxicité en laboratoire.

La pile à combustible microbienne a plusieurs caractéristiques qui peuvent être exploitées afin de répondre à cette problématique. Outre sa capacité de produire de l’énergie électrique à partir de matière organique, elle est très sensible aux variations de concentration de contaminants qui peuvent être présents dans le substrat qui l’alimente. Ces caractéristiques permettent d’envisager la mise sur pied d’un réseau de biocapteurs autonomes pour la détection en temps réel de contaminants en régions éloignées.

La pile à combustible microbienne fonctionne comme une pile alcaline classique, où des électrons circulent entre une anode et une cathode, au fur à mesure que la réaction d’oxydation se produit. Elle se distingue, par contre, par la présence de microorganismes, lesquels agissent comme catalyseur. L’activité des microorganismes se nourrissant de matière organique libère des protons et des électrons qui participent à la réaction d’oxydo-réduction. L’électricité produite par la pile est fonction de la concentration de la matière organique (substrat) à l’entrée et des composés toxiques à l’entrée.

Cette solution comporte beaucoup d’avantages. Le plus important est sans doute le fait d’offrir une mesure en temps réel, ce qui permet de détecter les variations de concentration de polluants sans retard. Des travaux préliminaires ont d’ailleurs pu démontrer des réponses caractéristiques en présence de fer, d’ammonium ou encore de drainage minier acide. De plus, ce biocapteur est peu coûteux en comparaison aux tests réalisés hors ligne en laboratoires. Finalement, ce système peut être complètement autonome en énergie en utilisant également la pile microbienne comme biobatterie afin de produire suffisamment d’électricité pour permettre l’envoi des données à un poste de contrôle distant. Exploité de façon optimale, il serait autonome et robuste, capable de fonctionner en permanence dans des endroits éloignés.

Mais pour y arriver plusieurs défis techniques doivent encore être relevés. Parmi ceux-ci, l’optimisation en temps réel et la conversion optimale de l’énergie électrique générée par la pile microbienne sont nécessaires pour assurer l’autonomie et la durée de vie de celle-ci lorsque utilisée comme biobatterie. La conception de convertisseurs à très haut facteur d’efficacité et d’algorithmes capables d’optimiser en temps réel la puissance fournie par plusieurs piles ayant des caractéristiques différentes sont des exemples de travaux de recherche en cours actuellement afin de relever ces défis.

De plus, un autre défi que nous envisageons relever est de pousser l’automatisation de l’interprétation des résultats en développant une approche basée sur la chimiométrie« La chimiométrie est une branche de la chimie analytique qui utilise les outils mathématiques et statistiques dans le but d'obtenir le maximum d'informations à partir des mesures réalisées en laboratoire ou sur des procédés industriels. » Réf. Université de Bretagne Occidentale http://www.univ-brest.fr/opex/Qu_est-ce_que_la_chimiometrie_ pour analyser les données fournies par un réseau de ces biocapteurs autonomes en temps réel. Un logiciel capable de détecter en temps opportun les tendances anormales contribuerait à une meilleure surveillance des sites contaminés en régions éloignées. Un système de transmission de signal sans fil à faible puissance sera également développé afin de fournir un accès en temps réel aux sorties du capteur.