Team:Lyon-INSA-ENS/Project/ToGoFurtherFr

Aller plus loin

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• L'histoire de la Radioactivité


• Histoire des sciences de la vie


• Qu'en est-il du futur ?


• Qu'est ce que la Radioactivité ?


• Neutronique de fission nucléaire pour la production d'énergie


• Radiocobalt


• Pour éliminer le cobalt…


• Cobalt Buster


• Pourquoi utiliser un biofilm plutôt que les cellules libres ?

L'histoire de la Radioactivité

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Beaucoup de découvertes scientifiques en physique, en biologie et en informatique ont eu lieu durant le 19ème et le 20ème siècles

La compréhension de la structure de la matière et en particulier de l'atome a permis la découverte et l'explication de la radioactivité (observée par H. Becquerel et les Curie). Cette propriété naturelle ou artificielle de certains éléments a été utilisée dans plusieurs domaines comme la médecine et la production d'énergie électrique. La seconde moitié du 20ème siècle verra son industrialisation.

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Histoire des sciences de la vie

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En sciences du vivant, les progrès se sont faits lentement. La première découverte significative date du 16ème siècle.
La microbiologie quant à elle a fait son apparition durant la deuxième moitié du 19ème siècle avec L. Pasteur et le travail d'autres scientifiques. Pendant le 20ème siècle, les découvertes sur l'ADN (structure, régulation de l'expression génique, séquençage) ont permis la naissance d'un nouveau domaine: la biologie moléculaire
Les travaux sur les enzymes de restriction et la Polymerase Chain Reaction (PCR) ont permis par la suite la construction de nouvelles molécules d'ADN.
Les progrès dans les sciences informatiques, l'augmentation de la puissance du calcul informatique, la modélisation et les nouveaux logiciels d'alignement de séquences a ouvert la voie à la biologie synthétique.

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Qu'en est-il du futur ?

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Toute phase d'industrialisation a un impact social et économique globalement favorable, mais aussi un impact environnemental, malheureusement souvent négatif.

La technologie nucléaire a permis d'énormes progrès, mais au prix de plusieurs conséquences: l'utilisation comme arme, les accidents nucléaires (Tchernobyl (1986), Fukushima (2011) ...), les déchets nucléaires, et les risques de pollution qui y sont liés

. Nous devons examiner ces mêmes questions avec la biologie synthétique, mais nous pouvons aussi aller plus loin: en apprenant du passé, nous pouvons limiter notre impact en respectant certaines règles de «bonnes pratiques», et ainsi proposer des solutions novatrices aux problèmes intervenus au cours du siècle précédent.

Après les grandes découvertes en physique nucléaire (fin du 19ème s.), après la phase industrialiation (20ème s.), nous espérons que le 21ème siècle sera un siècle de solutions grâce à la biologie synthétique, l'iGEM et, peut-être, notre projet Cobalt Buster.

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Qu'est ce que la Radioactivité ?

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Certains noyaux d'atomes instables perdent de l'énergie en émettant des particules ionisantes(α, β+ ou β-). L'émission est spontanée. C'est la radioactivité naturelle. Des chercheurs ont utilisé des particules pour réagir avec un autre atome comme le Beryllium. Le résultat obtenu est un noyau de carbone et un neutron. C'est de la radioactivité artificielle ou de la radioactivité induite. Les chercheurs ont ensuite utilisé les neutrons pour réagir avec des atomes (par exemple ²³⁵Uranium). Le résultat est un plus grand noyau avec un excès de neutrons conduisant à une augmentation de l'instabilité et le nouveau noyau a la capacité de se diviser en 2 noyaux plus petits. Ce phénomène s'appelle la fission neutronique .

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Fission nucléaire par bombardement neutronique pour la production d'énergie

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Les centrales nucléaires utilisent la fission neutronique pour produire de l'énergie. En France, les réacteurs sont des réacteurs à eau pressurisée (REP). ²³⁵U, l'isotope le plus désirable de l'uranium absorbe des neutrons puis se divise en deux noyaux plus petits et libère beaucoup d'énergie et de nouveaux neutrons capables de réagir avec d'autres ²³⁵U (réaction nucléaire en chaîne). Un liquide de refroidissement du réacteur nucléaire (l'eau dans le réacteur à eau pressurisée) est diffusé depuis le cœur du réacteur afin d'absorber la chaleur générée. Le réacteur, les tuyaux et les générateurs de vapeur sont en acier contenant du carbone, du fer, mais aussi du nickel et du cobalt. Ces atomes (C, Fe, Ni, Co ...) sont soumis à une activation neutronique conduisant à des produits d'activation .

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Radiocobalt

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⁵⁹Co est un isotope stable. Il peut absorber un neutron et passer sous la forme ⁶⁰Co. Cet isotope est instable (demi-vie: 5.272 années). Sa désintégration conduit à l'émission de particules β et de rayonnements γ.

Ces radiations électromagnétiques passent à travers la matière très facilement. Pour atténuer ces rayons, des boucliers de plomb/béton sont nécessaires. Les vêtements de protection et les masques peuvent protéger d'un contact interne ou d'une ingestion de particules α ou β, mais ne fournissent aucune protection contre le rayonnement γ. Pour permettre l'intervention humaine dans la centrale nucléaire lors de la maintenance, le contrôle ..., l'eau est filtrée en permanence afin d'enlever les atomes radioactifs.

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Pour éliminer le cobalt…

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A l'heure actuelle, toutes les eaux sur les sites nucléaires (centrales nucléaires, bien sûr, mais aussi toutes les autres industries liées au nucléaire (production de combustible nucléaire, traitement des déchets radioactifs ...)) sont filtrées sur des résines échangeuses d'ions.

Les résines sont efficaces, mais pas sélective et après utilisation, les résines sont un déchet volumineux (pas de possibilité d'incinération ou d'autre traitement). Aujourd'hui, le principal défi en matière de gestion des déchets nucléaires est la réduction de la quantité (volume).

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Cobalt Buster

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Cobalt Buster est un BioFiltre utilisant des bactéries modifiées capables d'adsorber plus de cobalt que la souche sauvage et ayant la capacité de se coller sur des surfaces en présence de cobalt.

• la pollution est concentrée sur le biofilm bactérien (réduction de volume)


• la pollution pourrait être triée, en utilisant différentes bactéries modifiées (pour Co, de Ni ...) et les éléments radioactifs pourraient être séparés en fonction du type de radiations. Il pourrait être intéressant de séparer les atomes générant des particules α, des atomes générant des rayonnements γ des autres afin de mieux répondre aux spécifications ANDRA (ANDRA est l'organisme en charge du stockage des déchets nucléaires en France)


• le biofilm, enlevé après utilisation, pourrait également être incinéré (réduction de volume).


• les cultures de bactéries sont moins chers que les résines échangeuses d'ions

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Pourquoi utiliser un biofilm plutôt que les cellules libres ?

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Qu'est qu'un BIOFILM ??

Antoni van Leeuwenhoek (XVIIème siècle) fut le premier à observer un animalcule (comme il le nommait) présent dans sa propre plaque dentaire. Ces animalcules sont des micro-organismes, mais plus précisément un biofilm de micro-organismes. Cette découverte est passée inaperçue à côté d'autres recherches importantes. Louis Pasteur (XIXème siècle) a été le premier à réaliser un culture pure en milieu liquide. Cette méthode de culture est devenue la méthode de référence pour tous les microbiologistes et les a aidé à comprendre les mécanismes physiologiques et génétiques.

Un biofilm est un consortium de différentes espèces/genres de micro-organismes (bactéries, algues ...) fixées sur une surface.

W. J Costerton décrit dans les années 80 le biofilm comme une communauté microbienne développant des structures spécifiques (protéines, polysaccharides, ...) afin de se coller sur des surfaces ou sur d'autres micro-organismes. Aujourd'hui, le concept de biofilm est accepté par la grande majorité de la communauté scientifique qui considère que la plupart des micro-organismes vivent sous forme de biofilm dans l'environnement.

Biofilm vs cellule libre

Le biofilm peut être considéré comme une organisation cellulaire plus résistante au "stress" de l'environnement (épuisement des nutriments,polluants ...).
Dans le cas des polluants, la matrice extra-cellulaire, synthétisée par le biofilm, peut jouer le rôle de piège à pollution par adsorption. De cette manière, en tenant compte du fait que ce polluant est moins bio-disponible (c'est-à-dire moins toxique), les cellules peuvent vivre en présence de concentrations plus élevées. Et si les bactéries ont de nouvelles fonctions (accumulation de Co par exemple) mises en place par manipulations génétiques, le biofilm est plus efficace.
La dissémination des micro-organismes modifiés dans l'environnement n'est pas voulue, surtout si leur fonction est de dépolluer. Si le micro-organisme modifié est dans un biofilm, la pollution et les micro-organismes sont confinés. Et dans le cas des substances radioactives, c'est essentiel.

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