Institut Mines-Télécom

Ingrid Bazin, Anne Johannet, Catherine Gonzalez, Jacky Montmain, LGEI, École des Mines d’Alès

Réseaux de capteurs chimiques et biologiques pour un suivi rapide de la qualité de l’eau : Traitement de données pour un monitoring fiable

Institut Mines-Télécom

Contexte et enjeux

Bon état des masses d’eau• Qualité chimique?

─ Liste de polluants (liste révisée tous les 4 ans)─ Normes de qualité environnementale─ 41 substances

• Qualité biologique?─ Diversité, quantité, qualité─ Poissons, végétaux, diatomées, invertébrés─ État écologique de référence (cours d’eau de montagne),

masse d’eau peu éloignée de cet état de référence

Institut Mines-Télécom

Contrôle et suivi de la qualité des masses d’eau

Évaluation de la qualité des masses d’eau? Identification des sources de pollution? Evaluation des scénarii en fonction de

pratiques agricoles, des stratégies de gestion des ressources en eau?

Outils de diagnostic basés sur des mesures obtenues par techniques chimiques et biologiques

Anticiper les altérations de la qualité des eauxSuperviser pour réagir en cas de besoinSurveiller par controle continu et l’auto-controle

Institut Mines-Télécom

Quelles méthodes pour quelles informations?

Temps

Temps

Polluant a

Polluant bInd

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teu

rs

Biocapteurs

Temps

Polluant a

Polluant bCo

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Capteurs (en-ligne)

Temps

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Polluant b

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Conc. moyenne

Echantillonneurs passifs

Temps

Polluant a

Polluant bRé

po

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bio

Systèmes biologiques d’alerte

Polluant a

Polluant b

Co

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n

Échantillons ponctuels + Analyse en laboratoire

Temps

Polluant a

Polluant b

Con

cent

ratio

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Situation

Institut Mines-Télécom

Quelles méthodes rapides pour quelles informations: les biocapteurs et les capteurs en ligne

Temps

Polluant a

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cent

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Temps

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bio

Temps

Polluant a

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Temps

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teu

rs

Biocapteurs

Temps

Polluant a

Polluant bCon

cent

ratio

n

Capteurs (en-ligne)

Systèmes biologiques d’alerte

Échantillons ponctuels + Analyse en laboratoire Situation

Temps

Polluant a

Polluant bCon

cent

ratio

nConc. moyenne

Echantillonneurs passifs

Institut Mines-Télécom

Quelles méthodes pour quelles informations?

Chemical Methods

Principles Parameters

Kits test Colorimétrie Nutrients, metals, pesticides

Instrument portable

UV spectropho-tometrie

COD, BOD, TSS,TOC, surfactants, NO3

Sonde Electroche-mistry pH, T°, cond., dO, turbidity, Cl, NO3, NH4

Sensor Voltametric Amperometric (SPE)

Metals (Cd, Pb, Cu, Zn)

150 mm

25 mm

8 m

m

25 mm

8 m

m

10/30 min

1 min

10 min

5/20 min

Institut Mines-Télécom

Biological method Principles Applications

Immunoessaie Antibody recognitionfluorescence or luminescence

Pesticides, TPH, PCB

Bioindicators

BEWS (alarm system)

Viability, Growth and biological functions

Acute Toxicity

Bioassay Microtox®

ToxScreen

Luminescence bacterial: Vibrio fischeri

Acute and chronic toxicity

Luminescence bacterial: Photobacterium leiognathi

Acute and chronic toxicity

Quelles méthodes pour quelles informations?

30/40 minspécifique

Sur site

30 min

30/60 min

Institut Mines-Télécom

HYDROGUARD

Technologies autonomes (balises) sur bassin versant (rivières, bassins d’orages, réseau d’assainissement, ouvrages hydrauliques,…) et le long du littoral (en mer ou en lagune).

Ces balises communiquent entre elles, centralisent les mesures, traitent de manière autonome des données variées provenant de sources multiples

Installations statiques ou mobiles pour être opérationnelles dans des zones en état d’alerte ou en situation de crise.

Institut Mines-Télécom

Balises autonomes HYDROGUERD

Caméra

SondesCapteursQualité

Institut Mines-Télécom

Détection Ochratoxine ANorme EU: < 2 ppb

Glyphosate/ AMPA

OTB

Applications industrielles: détection de pesticides et de toxines

Institut Mines-Télécom

Un prototype adapté aux différents systèmes, autonome, fiable, facile à

utiliser… pas cher?

COMBITOX

Métaux (Hg, As, Cd, Co, Ni)Toxines (microcystine, ochratoxine) Bacteries pathogènes (coliformes)

Différents types de biodétecteurs disponibles ou en cours de construction en laboratoire

Fraction biodisponible

Alerte sur le terrain

ANR-Paris-3 février 2012

ANR COMBITOX 2012-14 : un prototype autonome pour la surveillance en continu de la contamination des réseaux d’eau.

Institut Mines-Télécom

Quelles méthodes rapides pour quelles informations: capteurs passifs

Temps

Polluant a

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n

Con

cent

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Temps

Polluant a

Polluant b

Temps

Polluant a

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Temps

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Temps

Polluant a

Polluant b

Indi

cate

urs

Biocapteurs

Capteurs (en-ligne)

Systèmes biologiques d’alerte

Échantillons ponctuels + Analyse en laboratoire Situation

Temps

Polluant a

Polluant b

Con

cent

ratio

n

Conc. moyenne

Echantillonneurs passifs

CHEMCATCHER

Institut Mines-Télécom

Capteurs passifs

SPMD

POCIS

MESCO

ECOSCOPE

CHEMCATCHER

DGTMétaux

Polluants apolaires (HAP, PCB)Polluants polaires (pesticides, résidus pharmaceutiques)

Accumulation passive : capteur équipé d’une phase rétention spécifique

Institut Mines-Télécom

Distribution spatiale de la pollution

Distribution temporelle

Rivière

Échantillonneurs

Effluent

Prélèvements ponctuels

(image instantanée)

Echantillonneurs intégratifs (concentration cumulée)

Intérêt des capteurs passifs

Temps

Prélèvement ponctuel

Concentration moyenne

Co

nce

ntr

atio

n

Institut Mines-Télécom

Détermination des contaminants émergents issus des eaux usées dans un hydrosystème méditerranéen antropisé : BV Hérault

Screening spatio-temporel22 pesticides et 12 résidus pharmaceutiques

Chemcatcher (ng/l) 14 jours d’exposition

Acebuto-lol

Carbama-zepine Diclofénac

Fenofi-brate

P1

Hérault AmontPont de Gignac

<LD <LD <LD 1.48

P2

Lergue AmontStep Brignac

<LD 9.47 0.77 <LD

P3

Lergue AvalStep Brignac

<LD 18.21 0.72 <LD

P4

Hérault AvalCanet

1.84 7.62 <LD <LD

Institut Mines-Télécom

Quelles méthodes rapides pour quelles informations: les bioessais

Temps

Polluant a

Polluant b

Con

cent

ratio

n

Temps

Polluant a

Polluant b

Ind

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teu

rs

Biocapteurs

Temps

Polluant a

Polluant bCon

cent

ratio

n

Capteurs (en-ligne)

Temps

Polluant a

Polluant bRép

onse

bio

Systèmes biologiques d’alerte

Temps

Polluant aPolluant b

Con

cent

rat

ion

Échantillons ponctuels + Analyse en laboratoire Situation

Temps

Polluant a

Polluant b

Con

cen

trat

ion

Conc. moyenne

Echantillonneurs passifs

Institut Mines-Télécom

Evaluation d’un disfonctionnement hormonal

Etat générale de la toxicité globale (viabilité)sur un organisme vivant

Evaluation de la toxicité estrogenique

Evaluation de la viabilité des organismes

NIVEAU 2: moléculaire

NIVEAU 1: Organisme entier

Evaluation de toxicité d’effluents urbains

BioessaisDaphnie/ Microtox

Yeast EstrogenScreen

LacZERE ERE ERE

hER

Nucleus

Parabens

receptor

Saccharomyces cerevisiae

B gal+ MuGal

Fluorescence 460 nm

Institut Mines-Télécom

Objectif dans un futur proche: Des dizaines de capteurs autonomes

qui mesurent

qui communiquent

Institut Mines-Télécom

Fig. 1 : Fusion de sources d’informations imprécises ou incertaines sous la forme d’une distribution de possibilité

Figure 2 : Agrégation de distributions de possibilité pour l’indicateur de synthèse d qualité de l’eau

Besoin de traitement des données de masse et de modélisation pour une évaluation de la qualité de la ressource en eau

Institut Mines-Télécom20Modélisation hydrodynamique des aquifères karstiques par réseaux

de neurones

Merci de votre attention