Le rejet d'effluents organiques (déchets biodégradables provenant de plantes et d'animaux) dans les plans d'eau douce constitue une préoccupation environnementale importante, affectant la santé et la durabilité de ces écosystèmes aquatiques. Cependant, les méthodes actuellement disponibles pour inspecter la qualité de l'eau sont complexes et coûteuses.
Des chercheurs de l'Université Ritsumeikan, au Japon, ont récemment développé un biocapteur autonome, peu coûteux et flottant pour surveiller la qualité de l'eau à l'entrée des lacs et des rivières d'eau douce. L'étude a été publiée dans le Biochemical Engineering Journal le 1er novembre 2023.
"Nous avons développé un biocapteur flottant autonome et autonome basé sur une pile à combustible microbienne (MFC) pour la détection précoce des eaux usées organiques. Le boîtier 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. matériaux", déclare le professeur Kozo Taguchi du Collège des sciences et de l'ingénierie, Département de génie électrique et électronique de l'Université Ritsumeikan, qui a dirigé l'étude.
Les MFC génèrent de l'électricité à l'aide de bactéries électrogènes. Ces micro-organismes produisent un courant électrique grâce à leur métabolisme biologique. La quantité d'électricité générée par le MFC est proportionnelle à la concentration de déchets organiques consommés par les micro-organismes électrogènes. Cette caractéristique est donc utilisée pour concevoir des biocapteurs de déchets organiques alimentés par des MFC.
En utilisant des matériaux à base de carbone peu coûteux, l'équipe de recherche japonaise a développé un biocapteur auto-alimenté basé sur un MFC flottant (FMFC) pour suivre en permanence le niveau de contamination organique dans les lacs et les rivières. Pour y parvenir, ils ont rempli l’anode (l’électrode où se produit l’oxydation et où les électrons sont émis) du FMFC avec de la terre contenant des bactéries électrogènes. Les bactéries anodiques décomposaient ensuite la matière organique présente dans l’eau et convertissaient 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 émis l’hypothèse rationnelle que les micro-organismes des genres Geobacter, Shewanella et Pseudomonas contribuaient à l’activité électrique. Des études antérieures indiquent que les sols de rizières contiennent naturellement des bactéries électrogènes appartenant à ces genres.
Ensuite, l’équipe a ajouté une diode électroluminescente (DEL) à l’ensemble de 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 étudiés. Il 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 accéléré lorsque la DCO dépassait considérablement la valeur seuil.
Le professeur Taguchi ajoute :"Étant donné que 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 plans d'eau douce."
Plus d'informations : Trang Nakamoto et al, Biocapteur microbien flottant autonome basé sur une pile à combustible pour suivre l'afflux de pollution organique, Biochemical Engineering Journal (2023). DOI :10.1016/j.bej.2023.109087
Fourni par l'Université Ritsumeikan
