Formation des biofilms dans les réseaux de distribution d'eaux à faible potentiel nutritionnel : exemple d'une eau thermale

Biofilm formation in distribution systems supplied with oligotrophic water: the case of an hydropathic establishment

Laboratoire de Chimie de l'Eau et de l'Environnement, UPRESA CNRS 6008. École Supérieure d'Ingénieurs de Poitiers - Université de Poitiers, 40 Avenue du Recteur Pineau - 86022 Poitiers cedex

Résumé

Un grand nombre de facteurs, tels que la complexité des réseaux, le maintien de l'eau à 37 °C ou son potentiel nutritionnel, participe à la dégradation de la qualité des eaux thermales en réseau.

L'étude conduite sur le réseau de distribution d'une station thermale de la Région Poitou-Charentes, a permis de montrer l'évolution des caractéristiques de l'eau au cours de son transport grâce à une approche originale de la quantification de la matière organique globale (COD) ou spécifique (acides aminés ou hydrates de carbone) dans les eaux transportées et les biomasses fixées.

Les travaux menés sur un simulateur de réseau alimenté en eau thermale mettent en évidence la présence d'un biofilm. Après 10 à 20 jours de colonisation, le biofilm atteint un état d'équilibre en terme de densité bactérienne cultivable et de matière organique globale et spécifique. Sa densité bactérienne cultivable est alors évaluée à 2 à 4 10⁵ UFC cm^-2. Trois espèces bactériennes le constituent (Pseudomonas diminuta, Pseudomonas vesicularis et Spheromonas paucimobilis), il se répartit de façon non continue, sous forme d'amas sur la paroi du réacteur. Après une vingtaine de jours de colonisation, le biofilm atteint une concentration en COD de 3,6 µg C cm^-2 et sa teneur en acides aminés et en sucres dissous est alors respectivement de 1,8 µg C cm^-2 (50 % du COD) et 0,4 µg C cm^-2 (11 % du COD).

L'utilisation des méthodes spécifiques d'analyse de la matière organique des biofilms en tant qu'outil de caractérisation permet de conforter les données des paramètres microbiologiques et met en évidence la formation rapide d'un biofilm dans des réseaux alimentés par des eaux à très faible charge en matière organique.

Ces méthodes ouvrent en outre de nouvelles perspectives pour le suivi des biofilms et leur gestion dans les réseaux de distribution.

Abstract

The formation and présence of biofilms in distribution Systems can lead to pronounced dégradation in the bacteriological quality of water. This degradation is attributable in part to the présence of nutrients (biological organic matter). Other reasons are related to the complexity of the distribution System, the residence time or the water température.

The aim of this work was to study the spécifie case of a distribution System characterized by an oligotrophic environment: a thermal spring used in an hydropathic establishment. The DOC value of this water ranges from 0.20 to 0.45 mg/L C and the cell density ranges from 1.2 10¹ to 9.9 10² CFU/ml.

The proliferation of a biofilm was demonstrated in thèse conditions, both in thefull scale and in the simulated distribution System (propella reactor). A steady-state was obtained after 8 days for the bacterial cells although about twenty days were necessary for the organic matter. Biofilm composition was estimated by means of new analytical tools (amino-acid and carbohydrate analysis), but it was also characterized by classical tools (DOC content and microbiological counts).

Sonication procédures were developped for the extraction of the biofilm from the pipe material (PVC). At the steady-state, the biofilm présents a DOC content of about 3.6 µg C/cm² and the spécifie analysis of organic compounds reveales that the biofilm contains 1.8 µg C/cm² of total amino acids (Le. about 50% of the OC content) and 0.4 µg C/cm² of total carbohydrates (Le. about 11% of the DOC content).

As very little research has been conducted on biofilm samples, the use of these new analytical parameters allows us to précise the composition of the microbial extracellular polymeric substances and is of great interest for further researches on biofilms: composition, behaviour and growth control.

Pseudomonas stutzeri is the major bacteria identified in the spring water supplying the distribution System of the spa. However, the compétition of different groups of organisms détermines the population distribution in biofilms and this bacteria was not recovered in the outflow. In addition, it must be reported that three new and major bacterial species are identified in the biofilm and in the water coming out of the reactor or the full scale distribution System: Pseudomonas diminuta, Pseudomonas vesicularis and Speromonas paucimobilis.