CRP Centre de Recherche Public. d activités

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1 CRP Centre de Recherche Public Gabriel lippmann RApport d activités 2012

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3 RA CRP - Gabriel Lippmann 12 Rapport d activités

4 RA CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités ENVIRONNEMENT ET EVA AGRO-BIOTECHNOLOGIES ISC INFORMATIQUE, SYSTÈMES ET COLLABORATION SAM SCIENCE ET ANALYSE DES MATÉRIAUX 2

5 Table des matières P04 Introduction P Département «Environnement et Agro-biotechnologies» P13 Présentation générale P14 Faits marquants 2012 P Unité de recherche «Biomasse, biopolymères et bioénergie» P Unité de recherche «Télédétection et biosystèmes» P Unité de recherche «Risques environnementaux et santé» P Unité de recherche «Changement global et cycle de l eau» P Unité de recherche «Plantes, alimentation et nutrition» P Plate-forme en chimie analytique P Plate-forme en protéomique et métabolomique végétales P Observatoire du climat et de l environnement P32 Publications majeures P Département «Informatique, Systèmes et Collaboration» P37 Présentation générale P38 Faits marquants 2012 P42 Publications majeures P Département «Science et Analyse des Matériaux» P47 Présentation générale P48 Faits marquants 2012 P Unité «Analyse des Matériaux» P Unité «Instrumentation Scientifique» P Unité «Traitement de Surface» P Unité «Génie des Nanomatériaux» P58 Publications majeures P Organisation P68 25 Ans 3

6 RA RAPPORT d activités CRP - Gabriel lippmann Centre de Recherche Public 4

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8 RA CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités Introduction Annonce du regroupement du CRP Henri Tudor et du CRP - Gabriel Lippmann 6

9 introduction L annonce, le 19 avril 2012, de l intention des Conseils d Administration du CRP - Gabriel Lippmann et du CRP Henri Tudor de regrouper les deux centres au plus tard au 1 er janvier 2016 a marqué un tournant dans l histoire du centre. Cette initiative, élaborée au cours des premiers mois de l année 2012 en dialogue étroit avec le Ministère de l Enseignement Supérieur et de la Recherche, est la contribution des Conseils d Administration des deux centres à la restructuration en profondeur du paysage de la recherche publique au Luxembourg dans les années à venir. Le texte de l avant-projet de loi portant sur la réorganisation des CRPs a donné un cadre légal pour cette déclaration d intention en prévoyant dans ses articles 29, 44 et 45 le regroupement des deux centres au 1 er janvier 2015 par la création d un nouveau centre sous la dénomination de «Luxembourg Institute for Science and Technology». L envergure de ce projet de regroupement et le timing ambitieux fixé par le ministère de tutelle constituent un véritable défi pour les deux centres, tant pour les organes de gouvernance que pour l ensemble des collaborateurs. La nécessité de faire une réussite de ce projet stratégique pour la recherche publique au Luxembourg impliquera que, d ici fin 2014, d importants moyens financiers, mais également un pourcentage non négligeable des ressources humaines du centre, seront réservés à cette fin. Vu l ambition affichée de faire de ce regroupement plus qu une juxtaposition d activités mais, une organisation nouvelle à même de rencontrer des objectifs qui la placent à la hauteur des grands centres européens, il est plus que probable que certains indicateurs prévus dans le contrat de performance ne pourront pas être atteints dans leur intégralité, ce qui ne sera en définitive qu un prix relativement modique pour une réorientation de cette envergure. «Conjuguer finalité socio-économique et excellence scientifique dans ses domaines de compétence en privilégiant une approche pluri- et interdisciplinaire» reste cependant au cœur des préoccupations du centre. Pour renforcer la visibilité scientifique du centre, le contrat de performance en cours prévoit de focaliser les activités de recherche sur un nombre plus restreint de thématiques scientifiques choisies pour leur fort potentiel d innovation et de valorisation à moyen terme. Après d intenses discussions au sein des différentes équipes de recherche, cette focalisation a abouti à la définition d un nombre limité de projets de recherche dits «backbone» qui donnent le cadre méthodologique et financier des activités de recherche plus focalisées, et devront permettre aux équipes d atteindre, ou de conserver, à moyen terme un niveau d excellence international dans leurs domaines respectifs. Le département «Informatique, Systèmes et Collaboration» (ISC) a poussé encore plus loin la démarche de focalisation. L étude des systèmes d information appliqués à la gestion des organisations (publiques ou privées) a en effet longtemps constitué le «core business» de ce département. Cependant, en 2012, ISC a entamé et mené, en grande partie, à bien un recentrage radical de ses activités autour d une seule thématique fédératrice, originale et en phase avec les dernières tendances de l informatique : l utilisation de l informatique pour transformer en connaissances utiles des données de plus en plus complexes et massives, en basant principalement ce processus sur une meilleure exploitation du potentiel de la vision humaine. Cette thématique est résumée par le terme, certes réducteur, de «Visualisation». La multiplication des producteurs d information (humains, capteurs, ordinateurs, etc.) rend en effet indispensable l utilisation d outils informatiques permettant de rendre utilisables ces masses de données complexes, dynamiques, hétérogènes et de qualité variable. D une manière plus générale, l année 2012 a confirmé les bons résultats des années antérieures en matière de publications scientifiques référencées et d encadrement de doctorants. 7

10 RA CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités Introduction Les résultats des équipes de recherche dans le cadre de l appel CORE 2012 du Fonds National de la Recherche restent également à un niveau dont on ne peut que se féliciter. S il est vrai que le taux de réussite des projets soumis dans le cadre du FP7 de la CE en 2012 n atteint pas encore le seuil espéré, il faut cependant relever que les équipes du centre ont de bons résultats dans les appels internationaux du FNR avec notamment des projets cofinancés par la «Deutsche Forschungsgemeinschaft» (D) et la «National Science Foundation» (USA). Par ailleurs, le centre s est associé à un consultant international, qui assiste également d autres centres de recherche européens comme le Commissariat à l énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) en France, pour améliorer le taux de réussite de ses équipes dans le cadre des appels européens. D autre part, l aspect «valorisation» des activités et leur finalité socio-économique a fait l objet d une attention accrue en L Unité «Instrumentation Scientifique» du département «Science et Analyse des Matériaux» (SAM) a travaillé sur différents projets de développement instrumental, basés sur des faisceaux de particules chargées. Parmi ces projets, on peut citer la collaboration avec la firme Zeiss, visant à développer une imagerie ionique avec information chimique à résolution nanométrique pour microscope à ions hélium ORION. Un premier prototype a été développé et installé sur un ORION dans le centre R&D de Zeiss à Peabody (USA). Au sein de l Unité «Analyse des Matériaux», le projet NANO2HYBRIDS a permis de développer un nouveau détecteur de composés organiques volatils de taille réduite. Le capteur final est constitué de nanotubes de carbone, sur lesquels sont greffés des nanoclusters métalliques et d oxydes. Deux brevets, l un portant sur la méthode originale de fonctionnalisation des nanotubes de carbone, l autre sur le détecteur de gaz en lui-même, ont été déposés. Le détecteur devrait être commercialisé prochainement par la société Sensotran. L Unité «Traitement de Surface» a mis au point un traitement de surface permettant de faire adhérer de façon réversible une feuille métallique et un ruban polymère, associant une étape de fonctionnalisation de la surface par plasma et de greffage par réaction chimique en phase vapeur. Des contacts sont en cours avec une compagnie américaine pour transposer cette solution au cas de l adhésion de feuilles de cuivre sur des panneaux en verre. Quant au département ISC, il a permis au CRP - Gabriel Lippmann de créer sa première spin-off : Abacus Consulting & Solutions S.A. née en juillet Fondée par trois membres d ISC, cette nouvelle entreprise luxembourgeoise réutilisera des concepts et approches qui ont été étudiés, testés et validés dans divers projets de recherche appliquée et qui sont maintenant mûrs pour une utilisation pratique à large échelle. Un transfert de compétences a été organisé par le biais de la migration progressive vers la spin-off de plusieurs membres du personnel d ISC, permettant ainsi à ces chercheurs de mettre en œuvre leurs talents en matière d entrepreneurship. Pour sa part, le département «Environnement et Agrobiotechnologies» (EVA) a vu aboutir positivement le dépôt des premiers brevets issus de travaux de chercheurs du département, notamment dans le cadre d un projet de phytoremédiation de sols contaminés par des métaux lourds par des plantes étudiées comme sources potentielles d énergie alternative. Le nouvel axe «biopolymères» a entamé ses premiers projets sur les matériaux biosourcés, dont notamment un projet à haut potentiel de valorisation relatif à l optimisation de microcapsules à base d alginates emprisonnant des cellules vivantes productrices de biomolécules actives contre certains cancers. 8

11 introduction Dans le domaine de la valorisation de la biomasse, un procédé de contrôle de la biométhanisation basé sur des capteurs micro-usinés (MEMS) a été développé. Cet outil innovant permet d analyser en temps réel la teneur du biogaz en acides organiques volatils, afin de détecter de manière très précoce un début d acidose, qui risquerait de conduire à l arrêt irréversible la production de biogaz et donc à d importantes pertes financières pour l exploitant. Ces travaux ont reçu le «Green Innovation Award» lors du «Luxembourg Green Business Summit». En partenariat avec la firme Suez Environnement, le département mène également un projet de développement d un procédé de dégradation des antibiotiques présents dans les eaux usées. Ces antibiotiques se retrouvent dans les eaux de surface, notamment celles qui servent à la potabilisation, et peuvent conduire à l émergence de bactéries antibio-résistantes. Le procédé développé sera composé d enzymes codées par des gènes de résistance aux antibiotiques et d enzymes connues pour dégrader des xénobiotiques chez les bactéries et les champignons, immobilisées sur des supports solides pour permettre notamment une grande surface d échange favorable à la dégradation. Dans le cadre du projet FIELDSPEC, un prototype de spectromètre de masse à taille réduite pour la détection à une fréquence temporelle élevée d isotopes sur le terrain a été développé, ce qui devrait permettre de cerner le large éventail de régimes hydrologiques qui ne peuvent pas être couverts par les techniques d échantillonnage et d analyse conventionnelles. Les résultats prometteurs obtenus en 2012 ont permis de définir un projet «proof of concept» dans le cadre du nouveau programme du FNR. Enfin, un appel à candidatures international a conduit à recruter Monsieur Jens Kreisel, jusqu alors Directeur de recherche du CNRS au sein du Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique à l Institut Polytechnique de Grenoble (F), afin de prendre la tête du département SAM en remplacement de Monsieur Henri-Noël Migeon qui prenait sa retraite. Outre le développement scientifique du SAM en vue de lui donner une visibilité internationale accrue, tout en accentuant les activités à fort impact socio-économique, Monsieur Kreisel aura aussi pour tâche de fédérer les activités du département SAM du centre et celles du département AMS du CRP Henri Tudor dans le cadre du regroupement des deux CRPs. En ajoutant à cela les résultats plus qu encourageants du département EVA en termes de valorisation et la focalisation sur une nouvelle thématique scientifique à fort potentiel du département ISC, le centre se trouve dans une position extrêmement favorable pour entamer les étapes opérationnelles du regroupement et écrire de nouvelles pages de son histoire. 9

12 RA RAPPORT d activités CRP - Gabriel lippmann Centre de Recherche Public 10

13 EVA 11

14 RA 12 CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités Département «Environnement et Agro-biotechnologies» Signature de l accord de coopération avec la société Telops 12

15 Département «Environnement et Agro-biotechnologies» Présentation générale Né de la Cellule d Hydrobiologie créée en 1988, le département «Environnement et Agro-biotechnologies» (EVA) a connu une belle croissance et compte aujourd hui plus de 100 chercheurs et techniciens. Le département s est développé en se faisant l écho des enjeux majeurs du développement durable, en particulier sur le plan national. Depuis plus de vingt ans, le département accompagne les acteurs impliqués dans la mise au point d un système de gestion durable des ressources et des risques naturels. En 1995, la Cellule d Hydrobiologie étend ses activités au domaine des biotechnologies et prend le nom de «Cellule de Recherche en Environnement et Biotechnologies» (CREBS). Rebaptisé «Environnement et Agro-biotechnologies», le département se caractérise aujourd hui par des démarches thématiques et pluridisciplinaires. La nature de ses objets de recherche conduit à faire appel aux sciences du vivant et aux sciences de la terre, mais également de plus en plus souvent aux sciences de l homme et de la société afin d avoir une vision à plus long terme. EVA a ainsi développé un pôle de compétences pluridisciplinaires dans les secteurs «environnement» et «agro-biotechnologies». En 2012, le département a mis en oeuvre un plan d implémentation des grandes orientations de recherche et d innovation à l horizon 2020, avec une focalisation sur deux axes stratégiques afin d atteindre une masse critique et une visibilité suffisantes pour devenir un acteur au niveau international. Les deux axes retenus sont les suivants : sciences, gestion et technologies de l environnement avec une focalisation sur l eau, comprenant un programme sur l étude de l impact des changements globaux sur les ressources naturelles et un programme sur la compréhension du devenir des nanomatériaux dans l environnement et de leurs effets toxicologiques ; plantes et biotechnologies vertes avec trois programmes de valorisation des ressources végétales pour la production d aliments sains et sûrs, de biopolymères et de bioénergie. La déclinaison des axes met en avant le souci d accroître les connaissances en vue d une maîtrise du vivant et de l environnement. Elle exprime également l intérêt du département EVA pour la production de connaissances afin de gérer les risques liés à cette maîtrise dans une perspective de développement durable. La stratégie d EVA est de conjuguer excellence scientifique et finalité socio-économique. 13

16 RA CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités Faits marquants 2012 L année 2012 a permis de développer les compétences scientifiques du département, par exemple dans le développement de nouveaux senseurs environnementaux, des systèmes GPS flottants pour suivre la progression des ondes de crue, en nanotoxicologie, en nutrition, dans le développement d outils de surveillance adaptés aux nouveaux défis en matière de santé environnementale, dans l application de techniques de modélisation spatiale, de distributions d espèces et de qualité de leurs habitats dans un but de conservation de la biodiversité, dans la prédiction des modifications de répartition géographique des espèces en réponse aux changements climatiques. Parmi les 82 projets menés en 2012, il faut notamment signaler : la clôture réussie de trois projets du programme européen INTERREG (utilisation des plantes énergétiques, production de biogaz, phytoremédiation), d un projet FP7 et d un projet LIFE dans le domaine de la santé environnementale ; le démarrage de plusieurs projets importants dont deux projets FP7 de l ERANET CORE-Organic sur l impact du travail du sol et des engrais verts sur la durabilité de l agriculture biologique, ainsi que sur l analyse des pesticides tout au long de la chaîne de production agricole, le réseau FP7 MYCORED sur les champignons produisant des mycotoxines ; les projets financés par le Fonds National de la Recherche (FNR), dans le cadre du programme CORE «Gestion durable des ressources naturelles». En plus des projets acquis précédemment, trois nouveaux projets pour lesquels le département EVA est coordinateur ont passé le processus de sélection en 2012, avec un taux de réussite de 43 % ; la participation dans des projets du programme INTER du FNR, notamment avec BELSPO dans les domaines de la télédétection et avec la Deutsche Forschungsgemeinschaft ; plusieurs projets en télédétection obtenus dans le cadre de projets avec l Agence Spatiale Européenne (ESA). Le nombre de publications internationales, le facteur global d impact de ses publications, ainsi que le taux de citations des articles des chercheurs du département EVA le placent premier laboratoire luxembourgeois au niveau production scientifique, comme documenté par une étude bibliométrique commanditée par le FNR. La bonne participation des chercheurs étrangers aux congrès internationaux organisés par les chercheurs du département, les nombreuses responsabilités internationales des collaborateurs et les trois doctorats soutenus en 2012 ne font que renforcer cette constatation. Au niveau socio-économique, le nouvel axe «biopolymères» a entamé ses deux premiers projets. L un est relatif à l optimisation du processus d encapsulation sur base d alginates pour des applications médicales et agro-alimentaires. L autre a trait à l étude de la dynamique de la paroi végétale. Au niveau valorisation des résultats, le département a aussi franchi en 2012 un pas important avec l acceptation des premiers brevets. Un projet permettant d optimiser la production de biogaz a par ailleurs reçu le «Green Innovation Award» lors du «Luxembourg Green Business Summit 2012». 14

17 Département «Environnement et Agro-biotechnologies» Différents acteurs publics luxembourgeois et des PME ont signé des contrats avec le département. A ce niveau, l importance de l assistance technique pour les gestionnaires de stations de production de biométhane connaît un grand intérêt au niveau de toute la Grande Région, voire au-delà. La surveillance de la qualité de l air grâce à la camionnette de surveillance environnementale pour les administrations et les communes, le suivi des maladies et ravageurs des principales cultures agricoles et viticoles, ainsi que la mise en place d un programme de surveillance et de monitoring de la biodiversité au Luxembourg sont autant d autres thématiques porteuses. La volonté du département de valoriser ses activités dans le secteur privé est aussi documentée par la forte implication de ses membres au niveau des clusters nationaux Ecoinnovation, Biohealth et Space coordonnés par Luxinnovation. EVA a ainsi progressivement mis en place une série de compétences dans le domaine de l environnement et de la valorisation des ressources naturelles reconnues au-delà des frontières. Afin d améliorer la qualité des prestations, EVA a, en 2012, avancé de manière importante dans la mise en place d une démarche générale d assurance-qualité, avec entre autres la finalisation d un grand nombre de procédures en vue de l accréditation de deux processus analytiques selon la norme ISO/CEI 17025:2005 et la réalisation de la première enquête de satisfaction auprès de ses partenaires. Enfin des experts externes, commandités par le Ministère de l Enseignement Supérieur et de la Recherche, ont positivement évalué les activités du département EVA dans le domaine de l environnement, notamment en ce qui concerne la démarche générale de recherche orientée, le choix des thèmes scientifiques, l organisation interne, la valorisation en termes de publications, la performance dans l obtention de contrats aux niveaux national et international. En 2012, le département a continué à proposer des formations continues, notamment sur l utilisation des diatomées comme bioindicateurs de la qualité de l eau. De nouvelles formations, autour de la biométhanisation, de la modélisation hydrologique et de la télédétection hyperspectrale, ont été élaborées. Chiffres clés Nombre de projets : 82 Nombre de partenaires : 205 Nombre de publications : 268 Nombre de thèses en cours : 19 15

18 RA 12 CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités Unité de recherche «Biomasse, biopolymères et bioénergie» Les activités de l unité de recherche portent sur les thématiques liées aux domaines de la valorisation de la biomasse végétale pour la production de bioénergie et des matériaux biosourcés. 1. Bioénergies et développement d une assistance technique pour les gestionnaires de stations de biométhanisation De nombreux résultats ont été obtenus pour l évaluation du pouvoir méthanogène de substrats d origine agricole ou agro-alimentaire. Ces résultats sont généralement très appliqués et, donc, utilisables directement par les agriculteurs ou associations d agriculteurs, ainsi que par les installations de production de biométhane. En outre, l unité s est d ores et déjà forgée une place incontournable en ce qui concerne l appui scientifique et technique pour les unités de biométhanisation au Luxembourg, dans la Grande Région, et même jusqu en Bretagne. Afin de diminuer le temps nécessaire pour évaluer le potentiel en biométhane à partir des plantes énergétiques, différents projets ont mis en œuvre des technologies innovantes allant du proche infrarouge jusqu à la télédétection hyperspectrale. De nouveaux outils de suivi du processus de biométhanisation ont été réalisés et testés. Par ailleurs, l équipe s attache au recyclage d éléments nutritifs à partir des digestats ou d autres matières organiques en vue de fermer le cycle biomasse végétale - biodéchets bioénergie nutriments, ces derniers pouvant à nouveau être utilisés pour la production de biomasse végétale. 2. Matériaux biosourcés Après la définition en 2010 du plan d implémentation et du plan d équipement nécessaire pour le lancement de cette nouvelle activité, les premiers projets sur les matériaux biosourcés ont démarré en Le premier projet a pour but d améliorer les caractéristiques de microcapsules à base d alginates emprisonnant des cellules vivantes productrices de biomolécules actives contre certains cancers. Ce projet à haut potentiel de valorisation vers le secteur médical est réalisé en collaboration avec le CRP - Santé et l Université du Saarland. Un deuxième projet s intéresse plus particulièrement aux polymères d origine végétale, en particulier les fibres de la paroi végétale. La paroi végétale renferme la plus grande partie des polymères structuraux, principalement de nature polysaccharidique (cellulose, hémicellulose, pectines) et de nature complexe polyphénolique (lignine). En dépit de son importance économique et malgré de nombreuses études sur le sujet, la dynamique de la paroi cellulaire végétale demeure largement inconnue, notamment au niveau moléculaire. Dans le cadre de ce projet, une étude en biologie intégrative est réalisée afin de mieux cerner les mécanismes moléculaires conduisant à la biosynthèse des polymères de la paroi végétale et notamment son interaction avec la nutrition minérale. Cette approche intégrée inclut une étude du transcriptome, du protéome et du métabolome qui sera renforcée par un suivi en imagerie tridimensionnelle visant à mieux comprendre certains événements à l échelle cellulaire. 16

19 Département «Environnement et Agro-biotechnologies» SUCCESS STORY Le premier brevet associe recherche végétale, friches industrielles et biopolymères La dépollution des sols contaminés par des métaux lourds est une préoccupation quotidienne dans de nombreuses régions européennes, y compris la Minette au Luxembourg. L utilisation de la phytotechnologie, c est-à-dire l emploi de plantes vivantes pour résoudre des problèmes environnementaux dont la dépollution des sols, est une alternative aux technologies physico-chimiques très coûteuses financièrement, mais aussi d un point de vue environnemental. Cependant, en dépit d un marché potentiel énorme, la phytotechnologie reste peu utilisée, notamment en raison d un taux de mortalité des semis particulièrement élevé. L invention fait intervenir à la fois des biopolymères et des techniques de culture végétale innovantes. Cette nouvelle approche autorise notamment à s affranchir des conditions environnementales extrêmes lors du développement des semis végétaux et permettrait, le cas échéant, de revégétaliser des zones à environnement hostile aux végétaux, comme par exemples des friches industrielles ou des zones désertiques. Cette nouvelle approche plus que prometteuse s inscrit dans les perspectives du plan d action «Ecotechnologies», adopté par le Gouvernement luxembourgeois, et qui identifie le secteur des écotechnologies comme un des piliers de la diversification économique du pays. Dans le cadre du projet ENERREM financé par le programme CORE du FNR, une équipe pluridisciplinaire de physiologistes végétaux et de chimistes du département a mis au point une technologie nouvelle permettant de contourner la toxicité du milieu dans les premières phases du développement des semis. Cette technologie innovante, et dont les applications peuvent être abondantes, a été brevetée avec succès. 17

20 RA 12 CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités Unité de recherche «Télédétection et Biosystèmes» Suite à la mise en oeuvre du nouveau plan d implémentation, l unité de recherche «Télédétection et biosystème» a pour mission d étudier le fonctionnement et la structure des écosystèmes naturels, anthropisés ou artificiels. Un accent particulier est mis sur l utilisation de données de télédétection. Outre la production de nouvelles connaissances sur ce sujet, les activités de recherche et de développement de l unité trouvent des applications concrètes dans des domaines divers tels que la gestion intégrée des ressources hydriques, la gestion de la biodiversité ou la surveillance des cultures agricoles. L unité s est investie de manière importante dans la réalisation de plusieurs projets, notamment en ce qui concerne l utilisation de la télédétection pour le suivi de la biomasse agricole et son potentiel en biogaz (HYPERSPEC). Un autre projet, le projet HYPERFOREST, issu du programme STEREO II, financé par BELSPO et le programme INTER du FNR, a trait à l extraction des paramètres utilisés pour effectuer des inventaires forestiers en combinant des données hyperspectrales avec des systèmes LiDAR terrestres ou aéroportés. Le projet SOC-3D vise une estimation tridimensionnelle du carbone organique dans le sol. Deux projets ESA dans le cadre du programme IAP (Integrated Applications Promotion) ont trait à l utilisation de la télédétection en combinaison avec la communication par satellite et le positionnement par satellite pour la surveillance de la qualité de l eau (SAVEWATER), respectivement de zones naturelles protégées (BIOSCOPE). Signalons en outre que, grâce à l acquisition d une nouvelle caméra, une équipe a démarré ses activités en imagerie dans le domaine thermique infrarouge. L unité de recherche a continué ses activités de R&D dans le domaine de la surveillance de l environnement naturel terrestre. Dans la lignée de précédents projets, le projet de recherche BIODIV IIB vise à mettre en place, sur le territoire luxembourgeois, un programme de surveillance de la biodiversité basé sur une méthodologie scientifique solide permettant de détecter et de prédire les effets à moyen et long termes des perturbations telles que la fragmentation des habitats ou le changement du climat (MOBIMO, BUTTACCLIM). Cette activité de recherche se fait en étroite collaboration avec différents acteurs luxembourgeois impliqués dans la conservation de la nature et la préservation de l environnement naturel tels que le Ministère du Développement durable et des Infrastructures et le Musée national d histoire naturelle. L unité a par ailleurs continué ses activités en surveillance de la qualité des eaux de surface (FLORALIE, AQUACOM). Dans ce domaine, les chercheurs ont réalisé de nombreuses activités de consultance pour le compte d administrations ou d organismes de contrôle de la qualité de l environnement luxembourgeois et français. Par ailleurs, des formations spécialisées ont été dispensés dans le domaine de la bioindication à l aide de diatomées. 18

21 Département «Environnement et Agro-biotechnologies» FOCUS Vers un Centre de Démonstration Européen en imagerie hyperspectrale Le CRP - Gabriel Lippmann a signé un accord de collaboration avec la société Telops, leader mondial de l imagerie hyperspectrale, notamment du domaine thermique infrarouge. Cet événement s est déroulé lors de la mission de promotion et de prospection économique luxembourgeoise au Canada, sous la présidence du Grand-Duc Héritier et du Ministre de l Economie. La société Telops, implantée à Québec, est en effet un leader mondial dans le domaine des caméras infrarouges de haute performance et des systèmes d imagerie hyperspectrale. Elle a notamment développé la première caméra infrarouge à 1000 images par seconde, ainsi que la puissante Hyper-Cam qui permet de caractériser des objets et des substances pour une grande variété d applications, comme la mesure de gaz ou de pollution atmosphérique. En novembre dernier, le CRP - Gabriel Lippmann a acquis une telle caméra afin de permettre au département EVA d étendre ses capacités en matière de surveillance de l environnement, ainsi que de se donner les moyens d atteindre son objectif de devenir l un des leaders mondiaux en télédétection thermique. L acquisition de cette caméra aéroportée permettra au département EVA d être un acteur majeur dans la mise en place d une plate-forme aéroportée multisenseurs avec l Université de Trèves (D), le centre VITO à Mol (B) et le Forschungszentrum de Jülich (D). Le CRP - Gabriel Lippmann et Telops ont notamment convenu de collaborer dans le développement d applications environnementales à partir de l imagerie hyperspectrale et des instruments de Telops, et de mettre en place un Centre de Démonstration Européen en imagerie hyperspectrale au CRP - Gabriel Lippmann. Dans le cadre de cet accord, le département EVA et Telops ont offert, pour la première fois en 2012, une formation avancée sur l imagerie hyperspectrale sous forme d une «Summer School» d une durée d une semaine, qui a attiré des participants européens et asiatiques. L imagerie hyperspectrale est une technologie de télédétection permettant la représentation d une même scène suivant un grand nombre de bandes spectrales étroites. Cette technologie en plein essor permet une meilleure détection et discrimination des objets comparativement à l imagerie conventionnelle. La télédétection hyperspectrale aérienne apporte des solutions concrètes à de nombreuses applications. Parmi les plus importantes, on peut citer la géologie (identification des minéraux), l agriculture de précision, la foresterie (état sanitaire, identification d espèces, etc.) ou la gestion des milieux aquatiques (qualité des eaux, composition en phytoplancton). 19

22 RA 12 CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités Unité de recherche «Risques environnementaux et santé» Les activités de la nouvelle unité de recherche «Risques environnementaux et santé» ont été précisées au cours de l année L unité a été créée par le regroupement de compétences en toxicologie, microbiologie, chimie de l environnement, protéomique et écologie aquatique, préexistantes au sein du département EVA. Elle a pour mission l évaluation des risques pour la santé humaine et les écosystèmes engendrés par les contaminants émergents. Les activités de recherche sont focalisées sur les nanomatériaux, les xénobiotiques et les micro-organismes pathogènes. L attention est essentiellement portée sur les compartiments «air» et «eau». Outre la production des nouvelles connaissances nécessaires à l analyse des risques (mécanismes d action des contaminants dans les organismes, interactions entre les contaminants et les matrices environnementales, développement de nouvelles techniques d analyses, etc.), les activités de recherche et de développement de l unité trouvent des applications concrètes dans des domaines divers tels que la gestion du risque liée à la production d eau potable à partir de ressources naturelles, la biosurveillance humaine ou la surveillance de la qualité de l air dans les communes soumises à un trafic intense. La continuité des projets de recherche en cours a bien entendu été assurée en 2012 par les chefs de projets de la nouvelle unité. Ces projets concernaient la toxicologie environnementale (AIRQ, NANEAU II, NANSENS, REARISK), aussi bien que la biosurveillance humaine (COPHES, DEMOCOPHES), la dispersion des polluants dans une perspective hydrogéochimique (BEDLOAD, NUTREX) ou encore la microbiologie environnementale (ACTIOM, HYPOCAMP, PATHOS). Afin d envisager ces thématiques de recherche sous un angle réellement multidisciplinaire, l année 2012 a par ailleurs vu le renforcement des collaborations entre les départements SAM et EVA. L unité de recherche a non seulement continué sa collaboration avec SAM dans le secteur des nanotechnologies, mais elle a aussi développé de manière importante l axe de recherche initié en 2011 concernant les propriétés de désinfection des plasmas à l encontre de micro-organismes pathogènes résistants. 20

23 Département «Environnement et Agro-biotechnologies» FOCUS Biosurveillance humaine : le Luxembourg en bonne place La biosurveillance est la mesure de la concentration dans le corps humain de polluants issus de l environnement. Les enjeux de la biosurveillance en Europe, et en particulier au Luxembourg, notamment pour apporter un soutien aux décideurs, reposent sur une approche cohérente et harmonisée. En juin 2004, la Commission européenne a reconnu dans son plan d action «Environnement Santé» la pertinence de la biosurveillance humaine et le besoin d approches plus harmonisées en Europe, afin d obtenir une meilleure comparabilité des résultats et une utilisation plus efficace des ressources. Harmoniser les approches au niveau international permettra donc de comparer les résultats dans les différents pays et aussi, de disposer de règles de bonnes pratiques qui soient testées, validées et reconnues par l ensemble de la communauté scientifique internationale. Sur le plan européen, il est en outre important de favoriser des critères de qualité communs et l émergence d un réseau de laboratoires capables de doser l ensemble des substances intéressantes, ce qui est encore loin d être le cas. C est dans ce cadre que le département a participé aux projets conjoints FP7 COPHES et LIFE+ DEMO- COPHES financés par la Commission européenne. Ces deux projets reposent sur une pleine coopération et des actions complémentaires. COPHES devait permettre d harmoniser les actions de biosurveillance à l aide de guides et d une plate-forme d échanges entre experts. DEMOCOPHES devait tester la mise en œuvre de l harmonisation via une étude pilote. Pour cela, l étude consistait en l analyse d un échantillon d urine afin de déterminer la présence de cadmium, de cotinine, de phthalates, de bisphénol A, ainsi qu un échantillon de cheveux pour déterminer la présence de mercure. Chaque participant devait également remplir un questionnaire relatif à l environnement de son logement, son alimentation et son comportement face aux pollutions. Au Luxembourg, cette étude a été coordonnée par le département EVA et réalisée avec le Laboratoire National de Santé et l ONG Initiativ Liewensufank. Dans l ensemble, les concentrations retrouvées dans tous les échantillons au Luxembourg sont soit inférieures aux valeurs trouvées dans les 17 pays européens participants au projet (pour cadmium, cotinine, phtalates), soit sont dans la moyenne européenne. Les résultats pour le Luxembourg ont été présentés aux participants en présence du Ministre de la Santé, Mars Di Bartolomeo, qui a fortement soutenu ce projet. 21

24 RA 12 CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités Unité de recherche «Changement global et cycle de l eau» En 2012, l unité de recherche «Changement global et cycle de l eau» a pu consolider ses activités de recherche autour de la thématique du cycle de l eau. Au cours des dernières années, la complémentarité des domaines couverts par les projets en climatologie, hydrologie expérimentale, pédologie, modélisation hydrologique et hydraulique, ainsi qu en télédétection a permis à l unité de couvrir l intégralité de la chaîne observationconceptualisation-modélisation. Cette configuration, assez rare dans le domaine des sciences hydrologiques, est optimale dans l optique d une stratégie de recherche orientée résolument vers l identification, l étude de la propagation et la neutralisation des incertitudes. L objectif ultime de cette démarche est la production d outils de prévision et de gestion de l évolution des ressources hydriques à court (p.ex. ondes, crue), moyen (p.ex. remplissage/vidange des nappes d eau souterraines) et long terme (p.ex. impact du changement climatique). Dans cette optique, l unité peut s appuyer sur un observatoire hydroclimatologique d une densité rare, couvrant des dizaines de bassins-versants emboîtés de tailles variant entre quelques hectares et des centaines de km 2. En parallèle à ces observations de variables hydrologiques et météorologiques réalisées au moyen de stations de mesures conventionnelles (p.ex. limnigraphes, stations météorologiques), l unité explore depuis plusieurs années le potentiel offert par de nouvelles approches et senseurs environnementaux. Au cours de l année 2012, les premiers résultats encourageants ont ainsi été obtenus au moyen de capteurs flottants innovants, transmettant en temps réel, par télétransmission satellite, des caractéristiques propres aux ondes de crue (projet FLOODTRACKER). L identification des écoulements de surface intervenant dans la genèse de ces mêmes ondes a été réalisée avec succès grâce à des traceurs biologiques (diatomées), ainsi qu à l aide d images infrarouges (projets BIGSTREAM & BIO- THERM). Un autre exemple d approche interdisciplinaire comprend l exploration de la connectivité hydrologique dans le système sol-plante-cours d eau au moyen d une approche multitraceurs (projets SOWAT et CAOS). Enfin, un nouveau concept de spectromètre de masse portable pour la mesure des isotopes stables de l oxygène, de l hydrogène et de l azote, issu d une collaboration avec le département SAM, a été testé avec succès en laboratoire (projet FIELDSPEC). Cette exploration de nouvelles approches innovantes fait partie intégrante d une stratégie à long terme de l unité. Reposant sur des collaborations internationales avec des laboratoires de pointe, elle cherche à apporter in fine une nouvelle dynamique à l étude des processus de genèse des écoulements, étude largement entravée par les limitations technologiques actuelles. 22

25 Département «Environnement et Agro-biotechnologies» FOCUS La télédétection au service de la gestion des inondations Depuis 2002 et ses premières explorations du potentiel de la télédétection pour l étude des inondations, l unité a su développer une activité de recherche florissante autour de l utilisation des informations en provenance de l observation de la Terre. L unité est aujourd hui reconnue auprès de la communauté scientifique internationale pour ses compétences en télédétection radar appliquées à l investigation de l humidité du sol ou encore de l extension des champs d inondation. Les chercheurs de l unité développent régulièrement des approches innovantes pour assimiler les informations issues de la télédétection radar dans des modèles de prévision hydrologique. Au fil des années, les collaborations avec des institutions de recherche à l étranger sont devenues de plus en plus nombreuses. Aujourd hui, l Agence Spatiale Européenne (ESA) a notamment régulièrement recours au savoir-faire des chercheurs de l unité de recherche. Ainsi, des algorithmes développés par l unité et intervenant dans l exploitation des images de télédétection radar ont été intégrés par l ESA dans ses systèmes de gestion et de traitement d informations spatialisées obtenues au moyen de capteurs radar embarqués sur des satellites d observation de la Terre. L utilisation des images radar fait partie, en complément avec d autres approches innovantes (p.ex. l imagerie thermique, les traceurs biologiques), d une stratégie résolument portée sur le long terme et visant le dépassement des déficits actuels dans la compréhension de la genèse des crues et inondations (p.ex. incertitudes inhérentes aux techniques d observation actuelles) par l exploration de pistes d investigation innovantes, en vue de développer des outils innovants pour la gestion des inondations à l attention des pouvoirs publics et du secteur privé. 23

26 RA 12 CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités Unité de recherche «Plantes, alimentation et nutrition» L unité de recherche a travaillé dans le cadre d une douzaine de projets, dont quelques nouveaux projets : BIOCAR, FDA, SYSCARPO, avec des partenaires nationaux et internationaux. Quelques autres projets, notamment dans le secteur de la viticulture (APERO, AROMA), se sont terminés avec succès. 1. La protection des cultures Les projets relatifs à la protection de cultures importantes au Luxembourg, telles que le blé, l orge, le colza et la vigne ont été poursuivis. Durant la saison culturale, des avertissements sur les seuils de développement des agents pathogènes et des populations de ravageurs ont été régulièrement publiés dans la presse agricole. Les travaux de recherche ont porté sur une meilleure compréhension du phénomène de résistance des champignons pathogènes aux fongicides, ainsi que sur l impact du changement climatique sur les ravageurs du colza. 2. Métabolisme secondaire des plantes, composés phytochimiques et nutrition Beaucoup d études ont démontré une relation inverse entre la consommation des fruits et végétaux riches en composés phytochimiques et les maladies chroniques comme le diabète, les maladies cardiaques, et les maladies gastro-inflammatoires. L unité a poursuivi ses activités de recherche sur les composés des fruits et légumes à valeur bénéfique pour la santé, notamment les polyphénols, les caroténoïdes et les microminéraux. Des expériences et prélèvements de différentes variétés de pommes de terre en champ ont permis d analyser des extraits de plantes pour leurs teneurs en composés phytochimiques et minéraux. Des variétés contrastant au niveau de leurs teneurs ont pu être identifiées. Pour une utilisation optimale, il faut que les composés phytochimiques et les nutriments soient absorbés pour leurs fonctions spécifiques. Au cours de 2012, les connaissances sur la biodisponibilité de ces composés ont été élargies de manière considérable. Le système expérimental à base de cellules Caco-2, un modèle in vitro permettant d estimer la biodisponibilité, est fonctionnel pour les études de biodisponibilité du fer, des polyphénols et des caroténoïdes. Des mesures avec une matrice composée ont montré des influences de certains composés phénoliques sur la biodisponibilité du fer. D autre part, des connaissances ont été acquises quant aux transporteurs cellulaires impliqués au niveau des cellules Caco-2 par l utilisation de la qpcr. L unité a exploré la relation entre les composés bioactifs et la santé. En plus de leur potentiel antioxydant, les composés phytochimiques peuvent en effet interagir avec l expression des gènes pour améliorer, par exemple, la réaction inflammatoire. Dans ce cadre, l équipe a développé quelques nouvelles méthodes in vitro pour étudier les effets anti-inflammatoires des composés phytochimiques, comme les cultures cellulaires combinées. Les premières études humaines ont également été initiées en collaboration avec le CRP - Santé. Enfin, dans le cadre du projet BIOSURFAMINE, l unité a développé un film couvert de metallo-porphyrines pour la détection d amines volatiles, principaux marqueurs de denrées alimentaires périmées riches en protéines comme les poissons. 24

27 Département «Environnement et Agro-biotechnologies» FOCUS Dix ans de recherche dans le domaine de la protection des cultures La directive 2009/128/CE oblige les états de l UE à mettre en place dès le 1 er janvier 2014, dans le domaine de la protection des cultures, des conseils, de la formation et la prise en charge des producteurs par les scientifiques pour s assurer que l approvisionnement en matières premières végétales n est pas interrompu. Le but est aussi de limiter les effets secondaires potentiellement néfastes de l utilisation intensive des terres agricoles, y compris les applications de pesticides. Dans ce cadre, le projet SINTAMA a démarré en février Les travaux ont porté sur des observations fines du développement des maladies cryptogamiques dans des essais variétaux établis sur quatre sites au Grand-Duché de Luxembourg. La première tâche a été de valider et de mettre en application le modèle de prévision des maladies fongiques «Proculture» selon les conditions topoclimatiques et phytotechniques luxembourgeoises. Depuis 2004, les conseils fournis par Proculture sont inclus dans les bulletins d avertissements hebdomadaires destinés aux agriculteurs. Cette diffusion a permis d élargir le champ d action de ce modèle en incluant des sites représentant les principales régions céréalières du pays. L apparition et la généralisation de la résistance des parasites aux fongicides ont mis en exergue l importance de réaliser des études sur l efficacité des traitements. Le projet MACRY, démarré en 2006, a permis d identifier le statut et le progrès de la résistance de Zymoseptoria tritici. Les dernières informations sur la sensibilité du fongicide à des populations luxembourgeoises de Z. tritici ont été incluses dans les bulletins hebdomadaires d alerte aux maladies, permettant aux agriculteurs de choisir les fongicides les plus efficaces pour leur région. Parallèlement au projet MACRY, le projet COLZAP a été monté pour développer un service d avertissement pour les ravageurs de colza. Aujourd hui, toutes les activités de protection des végétaux ont été regroupées. Le projet SENTINELLE couvre les services d alerte pour le blé, l orge et le colza dont l efficacité est avérée. En 2012, les conditions météorologiques étaient très favorables pour les maladies fongiques et une seule application de fongicide a été recommandée. Cela a entraîné un rendement supplémentaire de 30 % par rapport aux champs non traités. La plate-forme d avertissement a de la sorte un impact sur le revenu de l agriculteur, mais aussi sur la réduction de la pollution de l environnement par les pesticides. 25

28 RA 12 CRP - Gabriel LIPPMANN - RAPPORT d activités Plate-forme en chimie analytique La plate-forme dispose d un parc instrumental principalement basé sur les techniques chromatographiques et sur la spectrométrie de masse. Il lui permet de couvrir une majorité des besoins analytiques en chimie organique ou minérale. Au cours de l année 2012, environ analyses ont été réalisées. Les chromatographes ioniques à détection conductimétrique, dédiés à la quantification des anions et cations minéraux majeurs dans les eaux, ont été utilisés pour le suivi qualitatif des eaux de sources de Luxembourg (POL- LUX), ainsi que pour plusieurs projets en hydrologie et en sciences du sol (BIGSTREAM, AQUACOM, DISMET). Dans le domaine de la chromatographie liquide, le système UPLC a été majoritairement utilisé pour l analyse des polyphénols dans les végétaux (POTIRON). D autre part, une ancienne méthode HPLC d analyse des pigments et caroténoïdes a été transférée sur l UPLC, puis a été utilisée dans le cadre des projets ECOLIRIMED, VITISOL et CAROPOL. De nombreux développements ont été entrepris sur le système LC-MS/MS. En début d année, une méthode d analyse des parabènes, triclosan, bisphénol A et phtalates dans les fluides biologiques a été mise en place puis appliquée sur plus de 300 échantillons (DEMOCOPHES). Ensuite, pour les besoins du projet AUTHENTICFOOD, une méthode de dosage des pesticides dans les fruits et légumes, permettant la détection de plus de 160 molécules, a été développée. En plus de ces développements, le LC-MS/MS a été mis à contribution, entre autres, pour l analyse des herbicides dans les eaux de source (POLLUX) et des glycolacaloïdes dans les végétaux (POTIRON). Les analyses inorganiques par ICP-MS ont représenté une part importante des activités de la plate-forme, notamment dans le cadre des projets ECOLIRIMED, NA- NEAU, NUTRIVIN, POTIRON, VITISOL, SOWAT, DISMET, TERROIR et CAROPOL. D autre part, la validation des méthodes, en vue du projet d accréditation, a nécessité un grand nombre d analyses sur des matrices agroalimentaires végétales. Parallèlement à ces activités de support et de service, la plate-forme a également mené ses propres travaux de recherche instrumentale (CAPTIVOCS II). Les premiers résultats ont démontré le potentiel de la spectrométrie de mobilité ionique en analyse environnementale et toxicologique. Par ailleurs, la plate-forme a réalisé un grand nombre d analyses dans le cadre de prestations de services (métaux lourds, géosmine, PCBs, octen-3-one, xénobiotiques, mercure, soufre, cuivre, carbone organique et inorganique, anions, cations, pesticides, etc.) pour des clients ou partenaires externes. Depuis l installation du GC-MS/MS, plusieurs méthodes ont pu être développées, notamment pour l analyse des composés volatils dans le vin (AROMA, CAPTIVOCS2), des pesticides dans les denrées alimentaires (AUTHENTIC- FOOD) ou des acides gras et stérols dans le moût de raisin et les extraits cellulaires (NUTRIVIN, SYSBIONAMA). 26