Development and application of two environmental biotechnologies: microbial flocculant and conductometric Biosensor

• Auteur / Autrice : Zhiqiang Zhang
• Direction : Didier Léonard, Siqing Xia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Université de Tongji (Chine)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrites

Phosphates

Environnement -- Protection

Biotechnologie appliquée à l'environnement

Floculation

Résumé

Les biotechnologies environnementales peuvent apporter à la fois des bénéfices pour l’environnement et au niveau économique, jouant ainsi un rôle particulièrement important dans l’élimination de la pollution et dans l’amélioration de la qualité de l’environnement. La thèse traite du développement et des applications de deux biotechnologies environnementales : la floculation microbienne et les biocapteurs conductimétriques. Un floculant microbien appelé TJ-1 possédant une forte activité de floculation produit par la souche TJ-1 identifiée au Proteus mirabilis, a été examiné au niveau de sa production, de sa caractérisation et de ses applications. L’activité de floculation de TJ-F1 obtenue sous des conditions de culture optimales atteint 93. 13%. Environ 1. 33 g du solide purifié du floculant microbien, ayant une masse molaire de 1. 2×105 Da, peut être produit à partir d’un litre de bouillon de fermentation. L’analyse chimique de TJ-F1 a indiqué qu’il contient des protéines (30. 9%, w/w) et des polysaccharides (63. 1%, w/w). Les images obtenues par microscopie électronique à balayage du TJ-F1 à l’état solide ont montré qu’il a une structure linéaire cristalline. L’analyse de TJ-F1 par la spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier a indiqué la présence de liaisons hydrogène, de groupes carboxyles, aminés et hydroxyles. Ces groupes participent de façon privilégiée dans le processus de floculation. Le mécanisme de floculation du floculant microbien TJ-F1 a été discuté selon ses caractéristiques chimiques et physiques et la variation du potentiel Zeta dans le système de floculation. Les applications de traitement des boues activées et d’élimination des colorants de l’eau ont démontré l’excellente performance de floculation du floculant microbien TJ-F1. Un milieu de culture à faible coût utilisant les eaux usées comme nutriments a été également développé, permettant ainsi non seulement de réduire le coût de production des floculants microbiens TJ-F1, mais aussi de diminuer le coût du traitement des eaux usées. Deux biocapteurs conductimétriques ont été développés pour l’analyse du nitrite et du phosphate. Les paramètres de fabrication des biocapteurs et les variables expérimentales ont été examinés en fonction de leur influence sur la sensibilité, la limite de détection, la gamme de fonctionnement et la stabilité du capteur. Le biocapteur développé pour l’analyse des phosphates a montré une réponse rapide (environ 10 s) avec une détection limite de 1. 0 μM et deux parties linéaires allant de 1. 0 à 20 μM et de 20 à 400 μM. Le biocapteur développé pour l’analyse des nitrites a montré une réponse rapide avec une limite de détection de 0. 05 μM et une partie linéaire allant de 0. 2 à 120 μM. Les deux biocapteurs ont montré une reproductibilité satisfaisante et une bonne stabilité. Pour les deux biocapteurs, aucune interférence significative provenant d’autres espèces ioniques présentes habituellement dans les eaux naturelles n’a été détectée. Les applications ont montré que ces biocapteurs peuvent être utilisés pour l’analyse de l’eau en conditions réelles

Environmental biotechnologies can bring both environmental and economical benefits, playing an especially important role in eliminating pollution and improving the environmental quality. The present thesis deals with the development and application of two environmental biotechnologies: microbial flocculant (MBF) and conductometric biosensor. A MBF named TJ-F1 of strong flocculating activity, produced by strain TJ-1 identified as Proteus mirabilis, was investigated with regards to its production, characterization and applications. The flocculating activity of TJ-F1 obtained under the optimized culture conditions was up to 93. 13%. About 1. 33 g of the purified solid MBF with a molecular weight of 1. 2×105 Da could be recovered from 1. 0 L of fermentation broth. Chemical analysis of TJ-F1 indicated that it contains proteins (30. 9%, w/w) and acid polysaccharide (63. 1%, w/w). Scanning electron microscopy image of the purified solid-state TJ-F1 showed that it has a crystal-linear structure. Spectroscopic analysis of TJ-F1 by Fourier-transform infrared spectrometry indicated the presence of hydrogen bonds, hydroxyl, amino and carboxyl groups which are the preferred ones for the flocculation process. The flocculation mechanism of TJ-F1 was discussed according to its physical & chemical characteristics and to the Zeta potential variation in the flocculation system. The successful application to the dewatering of activated sludges and the dye removal from water validated its excellent flocculating performance. A cost-effective culture medium using wastewaters as nutriments was also developed, which can not only cut down the production cost of TJ-F1, but also save the treatment cost of the wastewaters. Two conductometric biosensors respectively for phosphate and nitrite analysis were developed. The process parameters for the fabrication of the biosensors and various experimental variables were investigated with regards to their influence on the sensitivity, the detection limit, the dynamic range, the operation and storage stability. The biosensor for phosphate analysis showed a fast response (about 10 s) to phosphate with a detection limit of 1. 0 μM, and two linear ranges of 1. 0-20 μM and 20-400 μM. The biosensor for nitrite analysis showed a similar fast response to nitrite with a detection limit of 0. 05 μM and a linear range of 0. 2-120 μM. Both of them showed satisfactory reproducibility and good stability. For both biosensors, no obvious interference from other ionic species familiar in natural waters was detected. The application experiments showed that the biosensors are suitable for use in real water samples