Réseaux de capteurs chimiques et biologiques

Report
Réseaux de capteurs chimiques et biologiques pour
un suivi rapide de la qualité de l’eau : Traitement de
données pour un monitoring fiable
Ingrid Bazin, Anne Johannet, Catherine Gonzalez, Jacky Montmain,
LGEI, École des Mines d’Alès
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?
Anticiper les altérations de la qualité des eaux
Superviser pour réagir en cas de besoin
Surveiller par controle continu et l’auto-controle
Outils de diagnostic basés sur des
mesures obtenues par techniques
chimiques et biologiques
Institut Mines-Télécom
Quelles méthodes pour quelles informations?
Échantillons ponctuels + Analyse en laboratoire
Concentration
Concentration
Situation
Polluant a
Polluant b
Temps
Polluant a
Polluant b
Temps
Systèmes biologiques d’alerte
Réponse bio
Indicateurs
Biocapteurs
Polluant a
Polluant a
Polluant b
Polluant b
Temps
Echantillonneurs passifs
Concentration
Capteurs (en-ligne)
Polluant a
Polluant b
Institut Mines-Télécom
Temps
Concentration
Temps
Polluant a
Conc.
moyenne
Temps
Polluant b
Quelles méthodes rapides pour quelles informations:
les biocapteurs et les capteurs en ligne
Échantillons ponctuels + Analyse en laboratoire
Polluant a
Polluant b
Concentration
Concentration
Situation
Polluant a
Polluant b
Temps
Systèmes biologiques d’alerte
Réponse bio
Temps
Indicateurs
Biocapteurs
Polluant a
Polluant b
Polluant a
Temps
Capteurs (en-ligne)
Concentration
Echantillonneurs passifs
Polluant a
Polluant b
Temps
Institut Mines-Télécom
Concentration
Polluant b
Temps
Polluant a
Conc. moyenne
Polluant b
Temps
Quelles méthodes pour quelles informations?
10/30 min
Chemical
Methods
Principles
Parameters
Kits test
Colorimétrie
Nutrients, metals,
pesticides
Instrument
portable
UV spectrophotometrie
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)
1 min
10 min
5/20 min
8 mm
150 mm
25 mm
Institut Mines-Télécom
Quelles méthodes pour quelles informations?
30/40 min
spécifique
Sur site
Biological method
Principles
Applications
Immunoessaie
Antibody recognition
fluorescence or
luminescence
Pesticides, TPH,
PCB
Bioindicators
Viability,
Growth and
biological functions
Acute Toxicity
Luminescence
bacterial:
Vibrio fischeri
Acute and
chronic toxicity
Luminescence
bacterial:
Photobacterium
leiognathi
Acute and
chronic toxicity
BEWS (alarm system)
Bioassay
Microtox®
30 min
ToxScreen
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
Sondes
Capteurs
Qualité
Institut Mines-Télécom
Applications industrielles: détection
de pesticides et de toxines
Détection Ochratoxine A
Norme EU: < 2 ppb
Glyphosate/ AMPA
OTB
Institut Mines-Télécom
ANR COMBITOX 2012-14 : un prototype autonome
pour la surveillance en continu de la contamination
des réseaux d’eau.
Fraction biodisponible
Métaux (Hg, As, Cd, Co, Ni)
Toxines (microcystine, ochratoxine)
Bacteries pathogènes (coliformes)
Différents types de biodétecteurs disponibles ou
en cours de construction en laboratoire
Alerte sur le terrain
Un prototype adapté aux différents
systèmes, autonome, fiable, facile à
utiliser… pas cher?
ANR-Paris-3 février 2012
Institut Mines-Télécom
Quelles méthodes rapides pour quelles informations
capteurs passifs
Échantillons ponctuels + Analyse en laboratoire
Concentration
Concentration
Situation
Polluant a
Polluant b
Polluant a
Polluant b
Temps
Systèmes biologiques d’alerte
Réponse bio
Temps
Indicateur
s
Biocapteurs
Polluant a
Echantillonneurs passifs
Temps
Concentration
Polluant a
Polluant b
Temps
Concentration
Capteurs (en-ligne)
Temps
Institut Mines-Télécom
Polluant b
CHEMCATCHER
Polluant a
Conc. moyenne
Polluant b
Polluant a
Temps
Polluant b
Capteurs passifs
Accumulation passive : capteur équipé d’une phase rétention spécifique
Polluants polaires (pesticides,
résidus pharmaceutiques)
Polluants apolaires (HAP, PCB)
MESCO
CHEMCATCHER
SPMD
POCIS
ECOSCOPE
Métaux
Institut Mines-Télécom
DGT
Intérêt des capteurs passifs
Concentration
Prélèvement
ponctuel
Échantillonneurs
Concentration
moyenne
Rivière
Effluent
Temps

Prélèvements ponctuels
(image instantanée)
Echantillonneurs intégratifs
(concentration cumulée)
Institut Mines-Télécom

Distribution spatiale de la
pollution
Distribution temporelle
Détermination des contaminants émergents issus
des eaux usées dans un hydrosystème
méditerranéen antropisé : BV Hérault
Chemcatcher (ng/l) 14 jours d’exposition
Acebuto- CarbamaFenofilol
zepine
Diclofénac brate
P1
Hérault Amont <LD
Pont de Gignac
P2
Lergue Amont <LD
Step Brignac
P3
Lergue Aval
<LD
Step Brignac
P4
Hérault Aval
1.84
Canet
<LD
<LD
1.48
9.47
0.77
<LD
18.21
0.72
<LD
7.62
<LD
<LD
Screening spatio-temporel
22 pesticides et 12 résidus pharmaceutiques
Institut Mines-Télécom
Quelles méthodes rapides pour quelles
informations: les bioessais
Échantillons ponctuels + Analyse en laboratoire
Concentrat
ion
Concentration
Situation
Polluant a
Temps
Polluant b
Polluant
a
Polluant
b
Temps
Réponse bio
Systèmes biologiques d’alerte
Indicateu
rs
Biocapteurs
Polluant a
Polluant b
Polluant a
Temps
Polluant b
Capteurs (en-ligne)
Temp
Institut Mines-Télécom
s
Echantillonneurs passifs
Polluant a
Polluant b
Concen
tration
Concentratio
n
Temps
Conc.
moyenne
Temps
Polluant a
Polluant b
Evaluation de toxicité d’effluents urbains
hER
receptor
Yeast
EstrogenScreen
Evaluation d’un
disfonctionnement
hormonal
Evaluation de la
toxicité
estrogenique
Nucleus
Parabens
ERE ERE ERE LacZ
B gal+ MuGal
Saccharomyces cerevisiae
Fluorescence 460 nm
NIVEAU 2: moléculaire
Bioessais
Daphnie/
Microtox
Evaluation de
la viabilité des
organismes
Etat générale de la
toxicité globale
(viabilité)sur un
organisme vivant
NIVEAU 1: Organisme
entier
Institut Mines-Télécom
Objectif dans un futur proche: Des
dizaines de capteurs autonomes
qui mesurent
qui communiquent
Institut Mines-Télécom
Besoin de traitement des données de masse et
de modélisation pour une évaluation de la
qualité de la ressource en eau
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
Institut Mines-Télécom
Merci de votre attention
20
Institut Mines-Télécom
Modélisation hydrodynamique des aquifères karstiques par réseaux
de neurones

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