Centre de Recherche sur l’Eau - Anjou Recherche

Outils d’étude du biofilm:eau potable et eau chaude sanitaire

Sandrine OBERTI

Colloque AQUATECH

Limoges, 17 octobre 2007

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Introduction

Biofilm : lieu de réactions et d’échanges avec la phase eauDéveloppements bactériensRéactions chimiquesAdsorption / décrochements…

Quelle influence sur la qualité de l’eau ?Quel impact des matériaux ?Quel impact des traitements (préventifs, curatifs…) ?

Caractérisation nécessite outils d’étude

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Plan de la présentation

1. Outils d’étude du biofilm2. Applications possibles en eau potable3. Résultats des études menées en eau

chaude sanitaire

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Outils d’étude du biofilm

Comment et où prélever le biofilm?

Prélèvement de canalisations directement sur siteInstallation d’outils sur site ou en laboratoire• Réacteurs propella• Manchettes • « Incubateurs »

Quelles analyses pour quelles informations?

Coupons biofilm

5

Biofilm prélevé directement dans la canalisation (historique du biofilm)

Prélèvement et grattage de canalisations

6

Coupons biofilm

Différents matériaux : acier, acier galvanisé, PVC, cuivre...

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Coupons biofilms

Système porte-coupon

Méthode non destructivePrélèvement ne nécessitant pas de purge de canalisationSystème proche de la réalité

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Réacteurs propella

Avec différents matériaux :- acier Inox- PEHD- PVC- acier galvanisé- époxy…..

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Manchettes en charge

Biofilm créé dans le réseau sur une surface neuve

10

Biofilm créé par l’eau d’un réseau sur une surface neuve

Incubateurs

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1°) Préparation

2°) Installation en piquage

3°) Prélèvement stérile et analyse

4 à 8 semaines

Incubateurs

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Analyses réalisées sur le biofilm et les dépôts

Caractérisation microbiologique (bactérie/ cm2 de matériau)

Flore totale : Marquage au Dapi (cible: ADN bactérien)• Marquage des bactéries mortes et vivantes, • Donne une idée de l’ « encombrement » de la surface du matériau

Flore viable : Marquage au CTC (cible: chaine respiratoire) ou AEP (Activité ExoProtéolytique)• Marqueur de viabilité des bactéries et donc de leur activité

Flore revivifiable (cultivable) : Ensemencement et dénombrement des colonies selon la norme NF EN ISO 6222• Cultivabilité des bactéries (méthode de référence)

+ Analyse de certains pathogènes et indicateurs de contamination : ex. légionelles

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Analyses réalisées sur le biofilm et les dépôts

Caractérisation chimique :

Possibilité de mesurer différents paramètres : • Carbone organique, • Métaux et minéraux (criblage ICP) • Exopolysaccharides

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2. Applications en eau potable : études R&D

Etudes d’évolution du biofilm en fonction du différents paramètres :

Paramètres de conception du réseauParamètres d’exploitation du réseau

Etudes de l’influence du biofilm sur la qualitéde l’eau :

Qualité microbiologique de l’eauQualité organoleptique de l’eau

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Exemple d’étude d’évolution du biofilm en eau potable : suivi sur 4 réseaux

Biofilm :Marquage au DAPIFlore revivifiable 22°C et 36°C AEP [Niquette, Servais et al, 2001]

Eau :Marquage au DAPIHPC 22 (72h) and 36°C (48h)Analyses Physico-chimiques• Residuel de désinfectant, T°, temps de résidence

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Biofilm et désinfection

1

10

100

1000

10000

100000

Point 1Point 2Point 3Point 4Point 5

Point 1Point 2Point 3Point 4

Point 1Point 2Point 3Point 4Point 5Point 6

Point 1Point 2Point 3Point 4

Distribution system

CFU

.cm

-2

DS-A

DS-B

DS-D

DS-L

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0,000,200,400,600,80

Disinfectant residuals (mg/L)

Biofilms

Log (TDC (cells/cm²))Log (HPC22 or HPC36 (CFU/cm²))Log (PEPA (ng-C/cm²))

Flore 22°C ( ), flore 36°C ( ), DAPI counts (•), AEP (×)

Suivi flore revivifliable 22°C

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Biofilm et température

1E+5

1E+6

1E+7

1E+8

A B D LD

AP

I BIO

FILM

(Cel

lule

s/cm

²)

<15°C

>15°C

N.D.

eau Biofilm

1E+3

1E+4

1E+5

1E+6

1E+7

A B D L

DA

PI W

ater

(c

ellu

les/

mL)

<15°C

>15°C

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Biostabilité et TRH

treatedwater

24h 48h 72h

Residence time

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

mg/L

0

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

mg/L

Organic Matter

Freechlorine

0,1

0,3

1,68

1,21,6

1,35

00,020

200 000

400 000

600 000

HPCbiofilm (CFU/cm2)

0

HPC

(CFU/L)

15 000

10 000

5 000

1E+01E+11E+21E+31E+41E+51E+61E+71E+8

DAPI HPC22 HPC36 PEPA

0-20 h 20-40 h40-80 h 80-160 h

TDC (cells/cm²) orHPC22/36 (CFU/cm²) or PEPA (ng-C/cm²) BIOFILM

1E+01E+11E+21E+31E+41E+51E+61E+71E+81E+9

DAPI HPC22 HPC36

TDC (cells/L) or HPC22/36 (CFU/L) WATER(CFU/mL)

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Exemple d’étude d’influence du biofilm

3 sites aux caractéristiques différentesInstallation d’incubateurs à coupons sur différents point des sitesAnalyses d’eau et du biofilm

Recherche de liens entre :la qualité de l’eau et du biofilm

ET l’apparition de goûts et odeurs

(analyse statistique en cours)

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3. Applications en eau chaude sanitaire

Application à la problématique légionelles :Résultats R&DApplications sur sites

Eau potable

55°C

Boucle RECS

Bras mort

BIOFILM

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Résultats R&D : description du pilote ECS

Bras Mort 200L

Alimentation générale

Eau du réseau150L

T

P

pH

mV

Analyseur DésinfectantPURGE

Analyse Biofilm

Désinfectant

Inhibiteur de corrosion

40°C

40°C

0,5 m/s

3 Bars 30°C

Dopage Légionelles5-25 UFC/L

• 6 boucles 14 m + réservoir 200L / boucle• Diamètre interne 50 mm• Différents matériaux : PVC-c / Acier galvanisé / Acier doux/Inox/Cuivre• 30 coupons biofilm / boucles• 1 bras mort / boucle

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EauPrélèvement

BiofilmTraitement du coupon

Analyse Legionella, DAPI, flore cultivable

Résultats R&D : matériels et méthodes

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Résultats R&D : Où se trouvent les légionelles ?

6 000 Legio/cm2

20 000 Legio/L40°C

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Résultats R&D sur les légionelles en ECS

Essais

Traitement thermique : 70°C pendant 30 minutes (boucle en acier doux)Choc chlore : 50 ppmrésiduel chlore libre pendant 12 h (boucle en acier galvanisé) Peroxide d’hydrogène + acide péracetique à 500 mg/L H2O2 résiduel pendant 4h (boucle PVC-C)

Conclusions :

Efficacité immédiate sur les Legionella dans l’eau niveau< limite de détection

Faible impact sur le biofilm

Recolonisation rapide de l’eaupar le biofilm (<1 semaine) après le choc

Impact des traitements chocs(Alain VIDAL)

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Impact chloration choc : 50 mg/L - 12 heures

50 mg 50 mg

ClCl2 2 /L/L12H12H 4000 Legio/cm2

20 000 Legio/L0-50 Legio/L

26

1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

1,E+08

1,E+09

0 5 10 15 20 25 30 35Temps (semaines)

Choc chlorés

GT 22°C GT 36°C

Cell. totales Legionella

GT,

Cel

lule

s to

tale

s, L

egio

nella

(nb/

L)

Eau d’alimentationcontaminée

Absence de Legionella dans

l’eau d’alimentation

Choc chloré : suivi de l’impact sur l’eau

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Cel

lule

s to

tale

s, L

égio

nelle

s(n

b/cm

)

L DLégio

1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

1,E+08

2

Cellules totales Legionella

4 à 6 semaines avantchoc chloré

Après choc chloré

Choc chloré : suivi de l’impact sur le biofilm

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Résultats R&D sur les légionelles en ECS

Essais

Maintien de la température à55°C et à 50 °C (boucle en acier doux)

Chloration à 0,5, 1, et 3 ppmde chlore libre résiduel

Injection de dioxyde de chloreà 0,5 et 1 ppm

Conclusions :

Pas de Legionella détectée dansl’eau à 50°C et 55°C (≠ 40°C). Efficacesur le biofilm à 55°C, mais moins à50°C

Action efficace pour la phase eau (sirésiduel compris correctement réguléentre 0,5 et 1 ppm). Pas d’impact surle biofilm.

Pas de Legionella détectée dansl’eau avec 0,5 et 1 ppm de ClO2. Pas d’impact sur le biofilm.

Impact des traitements préventifs sur Legionella(Alain VIDAL et Florence MENARD-SZCZEBARA)

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Résultats R&D sur les légionelles en ECS

Essais :

Suivi de la colonisation en légionelle de l’eau et du biofimsur des boucles en différentsmatériaux : • Cuivre• Inox 316L• Acier galvanisé

Conclusions :

Différences dans les aptitudes à la colonisation (1ère phase de colonisationdu biofilm, soit 12 semaines) :

• Eau :Acier galvanisé ~ Cuivre > Inox 316L• Biofilm :Acier galvanisé > Cuivre ~ Inox 316L

Impact des matériaux sur la colonisation(Fabienne JACQUES et Florence MENARD-SZCZEBARA)

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Aptitude à la colonisation des différents matériaux : phase eau

Colonisation en légionelles - phase eau

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

0 2 4 6 8 10 12 14

t (semaines)

Légi

onel

les

(nb/

L)inox 316Lcuivreacier galvanisé

LD

LQ

Acier galvanisé : colonisation (~104nb/L) > LQ après 6 semainesCuivre : Légionelles présentes rapidement, colonisation 103-104nb/L après 5 semainesCuivre : 0,4 – 0,9 mg/LInox 316 L : après 6 semaines < LQ

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Aptitude à la colonisation des différents matériaux : phase biofilm

Colonisation en Légionelles - Biofilm

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

0 2 4 6 8 10 12 14

t (semaines)

Légi

onel

les

(nb/

cm2)

inox 316Lcuivreacier galvanisé

LD

LQ

Acier galvanisé : colonisation biofilm (~104nb/L) > LQ après 6 semainesCuivre et Inox 316 L : en moy LD < colonisation biofilm < LQ

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Applications sur sites

Ville de Vandoeuvre les Nancy :

Demande de surveillance des Legionelles dansles biofilms d’un réseau ECS en 2004

Offre de VEOLIA (OFIS) :• Installation de coupons biofilms• Surveillance des légionelles sur ces coupons biofilms

(2 plélèvements/an), analyses par le CAE (laboratoire VEOLIA) et support R&D

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CONCLUSIONS: Biofilm /eau potable et ECS

Le biofilm est un lieu de réactions et d’échanges avec la phase eau

Impact sur la biostabilité et l’écologie microbienne de l’eau

Dans certaines conditions, le biofilm peut être une « niche » pour les germes pathogènes (ex: Légionelles en réseau d’eau chaude)

Impact sur la qualité sanitaire de l’eau

Pour un traiteur d’eau, il est donc indispensable dede connaitre les interactions eau/biofilmafin de mieux maitriser la qualité de l’eau délivrée aux consommateurs.