Étude de la formation des biofilms dans de l’eau destinée à la consommation humaine par une méthode de culture « naturelle »

Study of biofilms formation in tap water by using a “natural” culture method

¹ Arts-151, boulevard de l’Hôpital, 75013, Paris, France
² Université Paris-Descartes, Laboratoire d’hydrologie, 4 avenue de l’Observatoire, 75006, Paris, France
³ CNRS et Université P. et M. Curie, Laboratoire Interfaces et Systèmes Electrochimiques (LISE), Case 133, 4 place Jussieu, 75252, Paris Cedex 05, France

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Reçu : 2 Avril 2014
Accepté : 1 Mai 2014

Résumé

Après plus de deux ans d’une étude sur la formation de biofilm dans une eau potable, les résultats obtenus sur des tubes en divers matériaux, dans lesquels l’eau circule à l’intérieur, alors qu’elle est quasi stagnante à l’extérieur, ont permis de tirer un certain nombre de conclusions utiles pour la compréhension des phénomènes liés au développement des biofilm. Ceux-ci ont été prélevés régulièrement, tout au long de la période de 2 ans, pour la caractérisation des micro-organismes (par culture et/ou PCR), de la fraction inorganique par spectrométrie infrarouge et de la topographie par microscopie électronique à balayage.

Pour cela, on a eu recours à une technique de préparation utilisant des éléments tubulaires en série, immergés dans un bac, faisant alterner un matériau inerte non nutritif (titane) et un matériau nutritif (tuyau mixte PE/caoutchouc). On dispose ainsi d’un système où l’on peut comparer le biofilm formé en eau quasi stagnante (à l’extérieur des tubes) avec le biofilm formé sous écoulement (à l’intérieur des tubes). L’étude a été effectuée avec une eau, naturellement déchlorée par dégazage naturel, de très faible turbidité (0,15 NFU), de faible COT (0,5 mg.L⁻¹) sans inoculation de micro-organismes exogènes.

On a ainsi pu montrer que cette technique est pertinente pour obtenir des biofilms dans des temps raisonnables (moins de 2 mois), que les développements bactériens obtenus sont provoqués par les bactéries autotrophes de l’eau, et que le dépôt de matières minérales est en synergie avec les développements bactériens. Dans un premier temps, l’écoulement de l’eau conduit à des biofilms beaucoup plus fournis que la stagnation, mais à long terme l’écart tend à se résorber. La même constatation peut être faite avec les matériaux : ceux dits nutritifs (caoutchouc, PE, …) donnent des cinétiques de formation du biofilm plus rapides que les matériaux inertes (aciers inoxydables, titane) ou bactériostatiques comme le cuivre. Mais à long terme (au-delà d’un an) les différences s’estompent.

D’autre part, les bactéries identifiées, varient avec les divers milieux de culture utilisés et sont généralement les mêmes sur tous les matériaux et ne semblent pas changer au cours du temps. Les produits minéraux (généralement un mélange silicates/phosphates) sont aussi importants en masse que la matière organique. Ils sont bien caractérisés (formule, cristallinité) grâce à la technique d’analyse par spectrométrie d’absorption infrarouge sur micropastilles. L’examen au MEB des biofilms âgés a permis de suspecter la formation de champignons et a établi la présence d’amibes sous forme de spores.

Ainsi, pour l’étude de biofilms en eau potable, il suffit de travailler avec des tubes immergés avec circulation de l’eau à l’intérieur du matériau que l’on souhaite utiliser, mais aussi avec des tubes en caoutchouc (ou en PE) qui, eux, permettront d’obtenir un résultat rapide pour la caractérisation des micro-organismes présents (mais qui, elle, dépend beaucoup des milieux de culture utilisés). Le matériau non nutritif (ou usuel) retenu servira à vérifier le comportement à plus long terme.

Abstract

After a study of more than two years on biofilm formation in a tape water on various materials through which water flows across the inner surface while on the outside of the tubes water remains quasi stagnant, the obtained results allow to draw several useful conclusions on the understanding of the phenomena related to the biofilm formation. The biofilm has been sampled regularly, during the whole period of two years, for the characterization of microorganisms by culture and/or PCR, of the inorganic fraction by Fourier Transform Infrared Spectrometry (FTIR) and of the topography by Scanning Electron Microscopy (SEM). For this purpose, we have used tubes in series, immersed in water within a container, making alternate an inert material no nutritive (titanium) and nutritive material (mixed tube PE/rubber). In this way, we have a device available with which we can compare a biofilm formed in water quasi-stagnant (outside of the tube) with that formed under flow (inside of the tube). The study has been undertaken with Paris’s tape water which is dechlorinated by natural degassing. The water is of low turbidity (0.5 mg/L) and low TOC (0.15 NFU) without inoculation exogenous microorganisms. Thus we were able to show that this technique was pertinent for obtaining biofilms in reasonable time (less than two months). The bacterial development was brought about by autotroph bacteria in water and the mineral deposition are in synergy with the bacterial development. On the one hand, biofilm formation is more abundant with water flowing through than in the case of its stagnation. However, the difference trends to minimise at long-term test. The same observation can be made with the nature the materials: nutritive tubes (rubber and PE) lead to biofilm formation faster than the inert ones (stainless steel and titanium) or bacteriostatics such as copper. Nevertheless, the difference fade out after one year test. On the other hand, the identified bacteria which vary with divers media of culture utilized and are generally same in all materials and do not seem to change during the test. The mineral products (generally a mixte of silicate and phosphate) are also important in mass than the organic matter. They are well characterized (forme and cristalinity) thaks to the FTIR on micropastille. The analyse by SEM of aged biofilms has allowed to suspect the champions formation and has established the presence of ameba in the form of spores.

Therefore, in order to study the biofilm in tap water, it is sufficient to use the tubes soaked with the circulation of water inside of materials that whish to use, and also with tubes in rubber (caoutchouc) or in Polyethylene (PE) which permit a fast obtention of results for the characterization of present microorganisms (but this is largely depend on the used culture media). The material no nutritive chosen will serve to verify the behaviour in long term test.