Dépolluer de l’eau contaminée avec des robots microscopiques ?

Temps de lec­ture : 7 minutes

La qua­li­té de l’eau est un enjeu éco­lo­gique impor­tant. De part son uti­li­sa­tion pour les acti­vi­tés humaines et indus­trielles, elle peut être pol­luée par de nom­breuses sub­stances telles que des élé­ments traces métal­liques (métaux lourds), des hydro­car­bures, des pro­duits chi­miques de syn­thèse, des rési­dus de pro­duits phar­ma­ceu­tiques, des matières radio­ac­tives mais aus­si par des bac­té­ries. La pol­lu­tion de l’eau conduit à une dimi­nu­tion des res­sources en eau potable ain­si qu’à des normes de rejets de plus en plus strictes. Ce phé­no­mène risque de s’ac­cen­tuer avec l’aug­men­ta­tion des acti­vi­tés humaines et indus­trielles.

L’eau est tra­di­tion­nel­le­ment dépol­luée dans des sta­tions d’é­pu­ra­tion par une com­bi­nai­son de méthodes phy­si­co-chi­miques et bio­lo­giques. Des scien­ti­fiques tra­vaillent sur des alter­na­tives à ces tech­niques, telle que la dépol­lu­tion de l’eau par des micro-robots [1].

Robots microscopiques

Les films et livres de science-fic­tion font sou­vent inter­ve­nir des robots micro­sco­piques dans leurs intrigues. Ces robots sont com­po­sés d’or­di­na­teurs sur-puis­sants et d’ins­tru­ments élec­tro­niques de pointe. Les robots actuel­le­ment déve­lop­pés par des scien­ti­fiques sont loin de cette image futu­riste. Il ne s’a­git pas d’or­di­na­teurs minia­tu­ri­sés mais plu­tôt d’ “auto­mates” capables d’exé­cu­ter des actions.

Les micro-robots (aus­si appe­lés micro-machines) sont des appa­reils mobiles dont les dimen­sions sont de l’ordre du micro­mètre [1]. Derrière cette défi­ni­tion se cache une grande diver­si­té d’ap­pa­reils. Ceux-ci peuvent être dits syn­thé­tiques lors­qu’ils sont com­po­sés de métaux ou de poly­mères. Il existe aus­si des robots hybrides qui sont un mélange de par­ties bio­lo­giques et syn­thé­tiques (par exemple en “gref­fant” des par­ties syn­thé­tiques sur une cel­lule telle qu’un sper­ma­to­zoïde [2]).

Les micro-robots pos­sèdent une dimen­sion com­prise entre 1 µm et 1 mm. Cette échelle est dite “loga­rith­mique” car les gra­dua­tions sont sépa­rées par un fac­teur x10. Ce type d’é­chelle per­met de mieux visua­li­ser de grands ordres de gran­deur.

La mobi­li­té est une carac­té­ris­tique impor­tante des micro-robots. Elle peut être appor­tée par un consti­tuant interne (réac­tion chi­mique) ou externe (champ magné­tique) [3]. La petite taille de ces robots per­met l’ac­cès dans des conduits de taille micro­sco­pique. Par exemple dans le corps humain, où ils peuvent ser­vir à trans­por­ter de façon pré­cise des médi­ca­ments [4].

Ces micro-robots peuvent être uti­li­sés pour éli­mi­ner des pol­luants dans l’en­vi­ron­ne­ment. L’un des méca­nismes employés consiste à attra­per les pol­luants via un méca­nisme appe­lé l’adsorp­tion. Les pol­luants sont alors fixés à la sur­face du micro-robots. Il suf­fit ensuite de récu­pé­rer les micro-robots avec les pol­luants pour dépol­luer le milieu. Un autre méca­nisme consiste à dégra­der direc­te­ment le pol­luant dans l’en­vi­ron­ne­ment.

La détec­tion de pol­luants est une autre mis­sion pou­vant être accom­plie par ces micro-robots. Dans ce cas, le robot dis­pose d’un com­po­sant per­met­tant la pro­duc­tion d’un signal (par exemple lumi­neux) lors­qu’il détecte un pol­luant.

Description du micro-robot Janus

Des équipes de recherche d’Espagne et d’Allemagne ont déve­lop­pé un micro-robot dans le but d’é­li­mi­ner les bac­té­ries pré­sentes dans l’eau. Ce micro-robot est basé sur un modèle de nano­par­ti­cules appe­lé Janus, qui cor­res­pond à une sphère dont chaque moi­tié pos­sède une sur­face avec des pro­prié­tés dif­fé­rentes [5]. Le nom Janus pro­vient du dieu romain des com­mer­çants et des portes qui est géné­ra­le­ment repré­sen­té par deux faces oppo­sées.

Le micro-robot, déve­lop­pé dans cette étude, est basé sur une sphère de magné­sium d’un dia­mètre de 15 µm (soit 0,015 mm). À titre de com­pa­rai­son, la taille d’une bac­té­rie est en géné­ral 15 fois plus petite (1 µm). Sur l’une des moi­tiés de cette sphère, une couche de fer est ajou­tée pour ses pro­prié­tés magné­tiques. Cette couche de fer est ensuite recou­verte d’or qui sert de sup­port pour des nano­par­ti­cules d’argent.

Schéma du micro-robot Janus. La sphère de magné­sium sert de sup­port au robot mais aus­si de car­bu­rant (pro­duc­tion de bulles de gaz). La couche de fer apporte des pro­prié­tés magné­tiques au micro-robot pour une récu­pé­ra­tion plus facile à l’aide d’un aimant. Les nano­par­ti­cules d’argent à sa sur­face ont un effet bac­té­ri­cide.

La sphère de magné­sium sert de sup­port au micro-robot mais aus­si de car­bu­rant. En effet, au contact de l’eau, le magné­sium se trou­vant à la sur­face de la nano­par­ti­cule va réagir dans une réac­tion chi­mique et for­mer de micro­bulles de gaz (H2). Ces micro­bulles vont pous­ser le micro-robot et per­mettre ain­si un dépla­ce­ment auto­nome.

Mg (solide) + 2 H2O (liquide) -> Mg2+ (liquide) + 2 OH- (liquide) + H2 (gaz)

Le magné­sium qui com­pose le micro-robot réagit au fur et à mesure avec l’eau pour for­mer des bulles de dihy­dro­gène (H2).

Nanoparticules d’argent, une arme anti-bactéries

Les nano­par­ti­cules d’argent (sym­bole chi­mique Ag) pré­sentes sur ce micro-robot ont été choi­sies car elles sont cou­ram­ment uti­li­sées en méde­cine pour leur pro­prié­tés anti-bac­té­riennes [6]. Ces nano­par­ti­cules libèrent des ions Ag+ direc­te­ment au niveau de la sur­face des bac­té­ries. Ces ions sont néfastes pour les bac­té­ries car ils induisent la for­ma­tion d’es­pèces réac­tives de l’oxy­gène (toxiques) et parce qu’ils peuvent se fixer sur les pro­téines pré­sentes à la sur­faces des bac­té­ries.

Les par­ti­cules d’argent pré­sentes à la sur­face des micro-robots ont un effet létal sur les bac­té­ries. Cet effet peut être direct lorsque le micro-robot rentre en contact avec une bac­té­rie. Un effet indi­rect est obte­nu lorsque de l’argent se détache des nano­par­ti­cules puis rentrent en contact avec des bac­té­ries.

Résultats de l’étude : le micro-robot se déplace-t-il ?

Avant de tes­ter son effi­ca­ci­té vis-à-vis des bac­té­ries, les capa­ci­tés de dépla­ce­ment du micro-robot sont étu­diées. Une camé­ra cou­plée à un micro­scope per­met de fil­mer les micro-robots dans l’eau. Premièrement, la durée de nage des micro-robots est déter­mi­née. La vitesse maxi­male obser­vée est de 27 µm/​s. La durée de nage dépend de la quan­ti­té de magné­sium conte­nue par le micro-robot. Elle est de 15 minutes dans les condi­tions choi­sies.

Une fois l’ex­pé­rience finie, les concen­tra­tions d’argent, de magné­sium et de fer dans l’eau sont étu­diées. En effet, le but de ces micro-robots est de dépol­luer l’eau et non pas d’a­jou­ter de nou­veaux pol­luants. Les concen­tra­tions détec­tées sont infé­rieures à celles conseillées par l’or­ga­ni­sa­tion mon­diale de la san­té pour l’eau potable. L’utilisation de ces micro-robots ne pré­sen­te­rait donc pas de pro­blèmes.

Quel est l’effet des micro-robots sur les bactéries ?

L’effet bac­té­ri­cide du robot est ensuite étu­dié vis-à-vis de la bac­té­rie Escherichia coli MG1655, orga­nisme modèle en labo­ra­toire mais qui est aus­si uti­li­sé comme indi­ca­teur de conta­mi­na­tion fécale [7 ; 8].

Pour obser­ver l’ef­fet des micro-robots sur les bac­té­ries, des colo­rants sont uti­li­sés pour dif­fé­ren­cier les bac­té­ries vivantes ou mortes par micro­sco­pie [9]. Les bac­té­ries vivantes et mortes sont colo­rées res­pec­ti­ve­ment en vert et en rouge (dead /​ alive). Une fois colo­rées, il suf­fit de comp­ter les bac­té­ries. Cette méthode a per­mis d’es­ti­mer que le micro-robot éli­mine plus de 80 % des bac­té­ries. Une expé­rience témoin est réa­li­sée en uti­li­sant uni­que­ment des nano­par­ti­cules d’argent et en absence de micro-robot. Dans ce cas, seule­ment 20 à 30 % des bac­té­ries sont éli­mi­nées. Placer les nano­par­ti­cules d’argent sur le micro-robot per­met donc d’aug­men­ter leur effi­ca­ci­té. Cela peut être expli­qué par le mou­ve­ment des robots qui favo­rise la ren­contre avec les bac­té­ries et aug­mente aus­si la libé­ra­tion d’ions argent.

Schéma de bac­té­ries, vivantes et mortes, obser­vées en micro­sco­pie après colo­ra­tion.

Récupérer les micro-robots après utilisation

Une fois les bac­té­ries éli­mi­nées, les micro-robots peuvent être récu­pé­rés. La couche de fer pré­sente dans le robot per­met cette récu­pé­ra­tion (avec les bac­té­ries fixées à sa sur­face) en uti­li­sant un champ magné­tique.

Perspectives de l’étude

Cette méthode est une nou­velle alter­na­tive aux tech­niques tra­di­tion­nelles de trai­te­ments des eaux usées. Elle ne forme pas de sous-pro­duits dan­ge­reux et faci­lite l’ac­cès à des espaces de faible taille.

Référence de l’étude

Vilela, D., Stanton, M. M., Parmar, J., & Sánchez, S. (2017). Microbots deco­ra­ted with sil­ver nano­par­ticles kill bac­te­ria in aqueous media. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(27), 2209322100. doi:10.1021/acsami.7b03006 (lien)


Bibliographie com­plé­men­taire

[1] Ying, Y., & Pumera, M. (2018). Micro/​Nanomotors for water puri­fi­ca­tion. Chemistry — A European Journal. doi:10.1002/chem.201804189 (lien)

[2] Alapan, Y., Yasa, O., Yigit, B., Yasa, I. C., Erkoc, P., & Sitti, M. (2018). Microrobotics and microor­ga­nisms : Biohybrid auto­no­mous cel­lu­lar robots. Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems, 2(1). doi:10.1146/annurev-control-053018023803 (lien)

[3] Mushtaq, F., Asani, A., Hoop, M., Chen, X.-Z., Ahmed, D., Nelson, B. J., & Pané, S. (2016). Highly effi­cient coaxial TiO2-PtPd tubu­lar nano­ma­chines for pho­to­ca­ta­ly­tic water puri­fi­ca­tion with mul­tiple loco­mo­tion stra­te­gies. Advanced Functional Materials, 26(38), 69957002. doi:10.1002/adfm.201602315 (lien)

[4] Sitti, M., Ceylan, H., Hu, W., Giltinan, J., Turan, M., Yim, S., & Diller, E. (2015). Biomedical appli­ca­tions of unte­the­red mobile milli/​microrobots. Proceedings of the IEEE, 103(2), 205224. doi:10.1109/jproc.2014.2385105  (lien)

[5] Lattuada, M., & Hatton, T. A. (2011). Synthesis, pro­per­ties and appli­ca­tions of Janus nano­par­ticles. Nano Today, 6(3), 286308. doi:10.1016/j.nantod.2011.04.008 (lien)

[6] Sánchez-López E, Gomes D, Esteruelas G, et al. Metal-based nano­par­ticles as anti­mi­cro­bial agents : An over­view. Nanomaterials (Basel). 2020;10(2):292. Published 2020 Feb 9. doi:10.3390/nano10020292 (lien)

[7] Daegelen, P., Studier, F. W., Lenski, R. E., Cure, S., & Kim, J. F. (2009). Tracing ances­tors and rela­tives of Escherichia coli B, and the deri­va­tion of B strains REL606 and BL21(DE3). Journal of Molecular Biology, 394(4), 634643. (lien)

[8] Korajkic, A., Wanjugi, P., Brooks, L., Cao, Y., & Harwood, V. J. (2019). Persistence and decay of fecal micro­bio­ta in aqua­tic habi­tats. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 83(4). (lien)

[9] Stiefel, P., Schmidt-Emrich, S., Maniura-Weber, K., & Ren, Q. (2015) Critical aspects of using bac­te­rial cell via­bi­li­ty assays with the fluo­ro­phores SYTO9 and pro­pi­dium iodide. BMC Microbiol. ;15:36. doi:10.1186/s12866-0150376‑x (lien)

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