Développement de biocapteurs pour réaliser le suivi de molécules herbicides dans les eaux souterraines

Development of biosensors to monitor herbicide molecules in groundwater

• Auteur / Autrice : Anaïs Surribas
• Direction : Lise Barthelmebs, Thierry Noguer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biodiversité et biotechnologies microbiennes (Banyuls sur mer, Pyrénées-Orientales)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Biocapteurs-Analyse-Environnement (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Carole Calas-Blanchard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carole Calas-Blanchard, Beatriz Prieto-Simon, Mohammed Boujtita, Béatrice Leca-Bouvier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Beatriz Prieto-Simon, Mohammed Boujtita

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Teneur en pesticides

Eaux souterraines

Herbicides

Mots clés libres

Surveillance environnementale

Biocapteurs

Eaux souterraines

Chlortoluron

Métazachlore

Anticorps

Colorimétrie

Électrochimie

Environmental monitoring

Biosensors

Groundwater

Chlortoluron

Metazachlor

Antibodies

Colorimetry

Electrochemistry

Résumé

La contamination des milieux aquatiques par l’utilisation intensive des pesticides est l’un des problèmes environnementaux majeurs depuis l’essor de l’industrialisation et de l’intensification de l’agriculture dans les années 60. Les deux herbicides de notre étude, le métazachlore utilisé pour le traitement des adventices dans les cultures de colza et de maïs, et le chlortoluron pour la culture des céréales, sont fréquemment détectés dans les eaux souterraines. Dans ce contexte environnemental, le développement de méthodes de détection innovantes, alternatives aux méthodes analytiques utilisées classiquement en laboratoire, est alors essentiel pour réaliser un suivi régulier de la contamination des eaux destinées à la consommation humaine.L’objectif de cette thèse est de quantifier ces herbicides dans les eaux souterraines, en dessous des valeurs seuils réglementaires (0,1 μg/L), en concevant des outils de détection de type biocapteurs pour une analyse fiable, rapide, sensible et adaptable sur le terrain.Des outils analytiques, utilisant des anticorps, couplés à une détection colorimétrique ou électrochimique ont été mis au point. Ces immunocapteurs sont basés sur un format de détection indirect reposant sur une compétition pour la fixation à un anticorps primaire entre un herbicide conjugué immobilisé sur une surface et l’herbicide libre présent dans un échantillon d’eau. Pour cela, deux anticorps monoclonaux anti-chlortoluron et anti-métazachlore ont été produits. Deux synthèses ont également été réalisées afin d’obtenir les herbicides conjugués, modifiés par un groupement biotine.La méthode colorimétrique a permis de valider les différents paramètres expérimentaux et d’obtenir des limites de détection proches des normes règlementaires à savoir de 2,7 μg/L pour le chlortoluron et de 0,11 μg/L pour le métazachlore. Des limites de détection similaires (5 μg/L pour le chlortoluron et 0,13 μg/L pour le métazachlore) ont été obtenues pour l’analyse dans les échantillons d’eau de sources. La méthode électrochimique basée sur l’utilisation d’une électrode de carbone sérigraphiée, permet de concevoir un outil utilisable directement sur le terrain et a abouti à des limites de détection équivalentes pour les deux herbicides (0,4 μg/L pour le chlortoluron et 0,31 μg/L pour le métazachlore). Le développement de ces outils est une alternative prometteuse pour la détection en temps réel de pesticides dans les eaux souterraines.

Contamination of aquatic environments by the intensive use of pesticides is one of the major environmental problems since the rise of industrialization and enhancement of agriculture in the sixties. The two herbicides studied in this work, metazachlor used for weed control in rapeseed and corn, and chlortoluron in cereal crops, are frequently detected in groundwater. In this environmental context, the development of innovative detection methods, as an alternative to the analytical methods used in laboratories, is essential to carry out high frequency monitoring of water contamination intended for human consumption.The objective of this thesis is to quantify these herbicides in groundwater, below the regulatory threshold values (0.1 μg/L) by designing detection tools such as biosensors for a reliable, rapid, sensitive and adaptable analysis in field.Two antibody-based colorimetric and electrochemical detection systems have been developed. These immunosensors are based on an indirect detection format corresponding to a competition for binding to a primary antibody between an immobilized conjugated herbicide and the free herbicide present in a water sample. For this purpose, two monoclonal antibodies anti-chlortoluron and anti-metazachlor were produced. Two synthesis were also carried out to obtain the conjugated herbicides, modified by a biotinylated group.The colorimetric method validated the different experimental parameters and obtained detection limits close to the threshold value, i.e. 2.7 μg/L for chlortoluron and 0.15 μg/L for metazachlor. Similar detection limits (5 μg/L for chlortoluron and 0.13 μg/L for metazachlor) were obtained for the detection in groundwater samples. The electrochemical method using screen-printed carbon electrodes allows the design of a detection tool directly in the field, and resulted in equivalent detection limits for both herbicides (0.4 μg/L for chlortoluron and 0.31 μg/L for metazachlor).The development of these analytical tools is a promising alternative for real-time detection of pesticides in groundwater.