Fiche Résumé 08-AEP-10

Si les virus entériques pathogènes pour l'homme ne se multiplient pas dans l'environnement hydrique, ils sont par contre capables d'adhérer sur les parois des réseaux de distribution d'eau potable, de s'accumuler au niveau des biofilms formés sur les parois et d'être relargués de façon discontinue dans l'eau circulante. Les biofilms représentent donc un réservoir de micro-organismes qui peuvent constamment contaminer l'eau distribuée

En conséquence, contrôler la qualité microbiologique de l'eau impose de contrôler l'accumulation de dépôts et de biofilms sur les parois des réseaux de distribution et des réservoirs d'eau potable et de nettoyer les surfaces contaminées. Mais le nettoyage efficace des surfaces des canalisations est limité à la fois par leur difficulté d'accès et par l'absence de caractérisation physico-chimique et mécanique des biofilms adhérant aux surfaces. Il est par conséquent quasi-impossible d'optimiser objectivement les protocoles de nettoyage pour éliminer les biomasses fixées et les pathogènes associés.

L'objectif du programme vise à définir un protocole pour nettoyer les surfaces des canalisations salies par les micro-organismes (bactéries formant un biofilm, virus piégés dans le biofilm ou adhérant sur des surfaces non colonisées). Les différentes parties étudiées portent sur la mise au point de modèles d'accumulation des virus en réseau de distribution et sur les biofilms (combien et comment) ; la détermination des caractéristiques de surface qui favorisent l'accumulation de ces virus (nature du support, présence de matières organiques et de biofilms bactériens) ; l'évaluation des forces hydrodynamiques, mécaniques et chimiques nécessaires pour détacher les biofilms bactériens ; la combinaison d'actions (hydrodynamiques et chimiques) permettant de fragiliser l'adhérence des biofilms bactériens et d'améliorer le nettoyage des surfaces ; la persistance des virus (survie, intégrité, maintien de l'infectiosité) fixés sur les parois ou les biofilms qui ont subit un nettoyage.

Les essais sont réalisés sur des biofilms multi-espèces qui ont été formés sur des matériaux (PEHD et inox) en contact avec l'eau du réseau dopée à l'aide de modèles viraux (phages MS2 et QB). Le réacteur utilisé est le disque tournant car il permet de simuler différentes conditions hydrodynamiques et contraintes de cisaillement à la surface des matériaux.

Préalablement aux premiers essais, deux analyses bibliographiques ont été réalisées : l’une sur la caractérisation des biofilms en réseau d’eau potable et l’autre sur l’accumulation de virus dans les biofilms. L’analyse bibliographique sur la caractérisation des biofilms fait l’objet de ce rapport et est axée autour de l’architecture, la biodiversité des populations de microorganismes et la caractérisation physico-chimique :

- L’architecture du biofilm est peu documentée dans la littérature. La biomasse fixée montre une distribution hétérogène et dispersée et les structures biologiques retrouvées à la surface des matériaux sont diverses : bactéries isolées, pédonculées ou non, agrégats, filaments (ruban, cordes), réseaux filamenteux de champignons microscopiques. Le biofilm apparaît comme un système dynamique constamment renouvelé et rarement dans un état stationnaire du fait des discontinuités hydrauliques, chimiques (chlore et nutriments), physique (température), biologique (flux de micro-organismes compétiteurs). Ses propriétés viscoélastiques sont le résultat des propriétés mécaniques des cellules qui le composent et de la “colle” (polymère de surface des micro-organismes appelé polysaccharide extracellulaire ou EPS) qui forme un ciment intercellulaire et explique l’architecture de l’ensemble. Les propriétés viscoélastiques sont variables et dépendent de facto de la diversité bactérienne du biofilm, des éléments nutritifs disponibles et des contraintes hydrodynamiques subies par le biofilm au cours de sa formation. L’un des enjeux majeurs du programme Biofilm VIII sera de caractériser les biofilms formés sous contraintes mécaniques définies, et en particulier leurs propriétés viscoélastiques aujourd’hui inconnues.

- La composition et la dynamique des communautés bactériennes dans les systèmes de distribution d’eau potable, particulièrement dans les biofilms, sont loin d’être connues. Même si elles ne constituent pas la population dominante, les Proteobacteria, en particulier alpha-, béta- et gamma-protéobactéries, sont systématiquement détectées dans les circuits d’alimentation en eau potable. La dominance d’une sous-classe (alpha-, béta- et gamma-) par rapport à une autre dépend de la nature du matériau, de l’âge du biofilm, et de la pratique de désinfection. La diversité bactérienne diffère donc selon l’exploitation et le système de distribution. En ce qui concerne les gamma-protéobactéries (groupe d’importance renfermant plus de 40 genres différents dont la plupart sont des pathogènes), toutes les études montrent une représentativité généralement faible mais systématique.

- Il existe peu de données obtenues par AFM (microscopie à force atomique) sur la caractérisation des propriétés physicochimiques des biofilms en eau potable : très peu d’études quantitatives ont été menées sur les biofilms multi-espèces et quelques études ont été réalisées sur des biofilms mono-espèce qui ont montré notamment que les propriétés adhésives des bactéries sont liées à la nature physico-chimiques de leurs lipooligosaccharides (LOS) et à leur structures de surface ; que les bactéries dont la surface est la plus rugueuses ont des chaînes de lipopolysaccharides (LPS) les plus courtes ; que les propriétés adhésives des bactéries augmentent avec la longueur de leurs LPS... Cette dernière propriété a été vérifiée sur les biofilms de ces mêmes bactéries et confirme l’importance de la matrice extra-cellulaire (EPS) dans le processus d’adhésion et de formation des biofilms. Le projet Biofilm VIII prévoit d’adapter aux biofilms les différentes techniques issues de l’AFM pour l’étude de bactéries isolées. Ainsi, pourront être quantifiées les premières mesures de forces critiques nécessaires au détachement des biofilms ou au nettoyage mécanique et/ou chimique des surfaces colonisées par les microorganismes présents dans l’eau potable.