Étude des charges inorganique et bactériologique de biofilms formés en eau potable

Research mineral matters and bacteria of the biofilm formation in the pipe of drinkable water

¹ Université Paris Descartes, Hydrologie, 4 av. de l’Observatoire, 75270 Paris Cedex 6, France
² Université Paris Descartes, Bactériologie, 4 av. de l’Observatoire, 75270 Paris Cedex 6, France
³ CNRS, France
⁴ ARTS, 151 boulevard de l’Hôpital, 75013 Paris, France

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Résumé

Pour la plupart des auteurs, le biofilm est considéré sous son aspect « organique ». Ils définissent le biofilm comme une « organisation structurée de microorganismes dans une matrice polysaccharidique et protéique, protectrice et nutritive, adhérant à une surface ». Dans le cas le plus simple, ce biofilm serait composé de cellules bactériennes et de leurs métabolites. Un tel biofilm aurait généralement une structure très poreuse (plus de 80 % d’eau) et comporterait également une part plus ou moins importante de particules inorganiques piégées dans des exopolymères.

Les études des relations minéraux/bactéries sont peu nombreuses, c’est pourquoi cette publication se propose de montrer comment l’utilisation de la spectrométrie d’absorption infrarouge permet d’accéder de manière relativement simple aux différents composés inorganiques présents dans les biofilms à côté des bactéries qui seront également recherchées. Cette publication montre plusieurs spectres obtenus dans l’infrarouge où l’on peut repérer des pics correspondants aux molécules d’eau, à la matière organique ou aux amides. Les groupements O-H sont les premiers à apparaître entre 4000 et 3000 cm^-1, suivis des liaisons organiques (surtout entre 3000 et 1000 cm^-1), puis les groupements CO₃, SO₄, SiO₄, de 1550 à 600 cm^-1, et enfin les oxydes et oxyhydroxydes métalliques entre 600 et 200 cm^-1.

Après calcination et rebroyage de la pastille, on peut avoir la transformation d’une substance peu visible en IR en une autre qui absorbe avec plus de netteté (par exemple les sulfures, qui peuvent être transformés en sulfates), ou bien l’élimination des matières organiques par calcination à 550 °C en atmosphère oxydante.

Par ailleurs, lors de l’étude sur la cinétique de formation de biofilm, on peut coupler ces analyses en infrarouge, avec la caractérisation (par culture), au cours du temps, des microorganismes qui se développent : on trouve notamment Pseudomonas aeromonas, Sphingomonas paucimobilis et Pseudomonas fluorescens.

Différents matériaux ont été étudiés comme le titane, le caoutchouc, le cuivre, le polyéthylène et l’acier inoxydable austénitique. Le titane développe le minimum de biofilm car c’est un métal lisse, inerte et non nutritif. Inversement, c’est le caoutchouc qui laisse développer à sa surface un important biofilm du fait de nombreuses anfractuosités et de sa nature plus nutritive que les autres matériaux.

La présence d’une flore dominante peut gêner la détection d’autres espèces, en quantités plus faibles, ou bien encore inhiber leur culture en synthétisant des molécules toxiques (bactériocines). Pour mettre en évidence ces sous-populations, nous avons effectué des essais sur des milieux différents : une gélose TS additionnée d’Aztréonam, un antibiotique inhibant P. aeruginosa mais peu actif sur la plupart des autres bacilles à Gram négatif oxydatifs. Ce milieu nous a permis d’isoler d’autres espèces. De même, l’emploi d’un milieu comme celui de R2A, pauvre en matières nutritives, permet le développement de bactéries comme Sphingomonas paucimobilis ou Aeromonas hydrophila.

Cette étude permet également de comprendre plus finement les mécanismes qui sous-tendent l’adhésion bactérienne à un support abiotique, suggérant de nouvelles stratégies de lutte contre les biofilms.

Abstract

A biofilm is a heterogeneous bacterial community from the metabolic activities and growth point of view. For most researchers, the biofilm is just considered under its “organic” aspect. They define the biofilm as a “structured organism of micro-organisms in a matrix of polysaccharides and proteins which are protective and nutritive, adherent to a surface”.

In the simplest case, the biofilm would be composed of bacteria cells and their metabolits. Such a biofilm would have generally a very porous structure (more than 80% of water) and would also contain a part more or less important of inorganic particles trapped in the exopolymers. Moreover, within the biofilm, more evolved organisms, such as algae and protozoans would cohabit with the bacteria.

The inorganic matters are just mentioned by the way, perhaps in the concern to be complete and to forget nothing in the enumeration and this for well underline the complexity of the biofilm. Nevertheless, some rare researchers are interested in the relations between minerals and bacteria in the biofilm. In spite of all, the contribution remains less important. That is why we propose to show how the use of the infrared absorption spectrometry allows to characterise, with a relatively simple way, the different inorganic compounds presented in the biofilms.

The infrared absorption spectrometry is now a very classical method which is largely used by numerous laboratories. Although it is an old method, it has gotten a great interest by using Fourier transformed mode. Nevertheless, its applications are usually limited to organic compounds but not to the analysis of inorganic matters, even though some pioneers such Lecomte, had described in detail, in the middle of the last century, the interest of the infrared absorption spectrometry to both the organic and inorganic compounds.

Nowadays, the obtaining of complete spectrums are more quickly by offering the information about the compounds hydration and the different types of organic and inorganic matters. Of course, the method has also its limits, but they are not restricting for the study of the mineral fraction of the films.

However, the interpretation of the obtained spectra can be difficult when there is interference among absorption picks of several compounds. This is why we usually regrind the pastille, after saving the spectrum, then calcine the pastille at a suitable temperature. This calcination is for objective of the transformation of a substance which has poor absorbance in IR into another one which gives a strong absorbance (e.g. the sulphide can be transformed into the sulphate). The re-calcination can be also used for the elimination of organic matters at 550 °C. After the re-calcination, a new pastille is made and it is analysed in the same conditions.

The obtained results after the calcinations have showed indisputably that the studied biofilms contained effectively mineral matters which are by far to be of a minority: on one of them, a proportion of 43% of mineral matters has been obtained after calcinations during 17 h at 550 °C (the biofilm having been dried previously during 1 h at 60 °C. In addition, these mineral matters can be characterised and measured either directly by a characteristic absorbance or by comparison of absorbance before and after calcination. Moreover, during a study on the kinetics of biofilms formation, we can combine these analyses with the characterisation (by culture) of micro-organisms developed in the biofilms.

Biofilms developing in the pipes of drinkable water raise a real problem of public health in addition to the phenomena of corrosion or head losses which they cause. Understanding finely the mechanisms which underlie the bacterial stuck to the abiotic support, allows developing new fighting strategies against biofilms.

A microbiological study by bacterium culture was realized aiming a better understanding of the important role played by the support in the phenomenon of the biofilm formation and stabilization (stuck).