Biofilm et développement de la Legionella

Introduction sur le biofilm

Il apparaît clairement sur le dessin qu'une contamination légère et aléatoire de l'eau alimentant la boucle ne peut expliquer une présence, parfois massive de légionelles dans l'eau chaude distribuée ou, par extension dans le panache d'une tour.
L'auteur de ces lignes a ainsi rencontré, sur une boucle sous-pression, alimentée avec de l'eau potable d'une grande ville et reprenant le principe ci-dessus, plus de 1 million de légionelles par litre.
Le temps de résidence de l'eau dans la boucle, un ratio entre le débit d'eau nouvelle et le volume du circuit, est le plus souvent trop faible, pour justifier une croissance de plusieurs logs du nombre de légionelles.
Dans les faits, l'on retrouve une situation bien connue dans les réseaux d'eau potable. Un biofilm se forme dans les tuyaux. Celui-ci va incorporer les bactéries gênantes et se développer.
Il suffit de se trouver temporairement dans un contexte de décrochage du biofilm pour libérer ponctuellement, par arrachage, les bactéries fixées sur la surface du tuyau.
Le nombre de Reynolds, indicateur bien connu des formes d'écoulement, peut, en augmentant et en dépassant 4-5000, conduire à un écoulement "turbulent", arracher la biomasse, et ainsi libérer les bactéries.
Ce mécanisme très connu est à la base de certains traitements, que l'on verra plus loin, qui agissent directement sur le biofilm (les bio dispersants par exemple), et il explique pourquoi une chloration, même massive, ne supprime pas totalement les désordres, surtout, si le temps de contact chlore/bactérie est insuffisant.

Ce temps de contact dépend de l'âge de l'eau, tronçon par tronçon dans le circuit.
Si l'on a dans une partie du réseau, un passage préférentiel de l'eau, celle-ci, à peine chlorée va être extraite du réseau par un point d'usage.
Ce temps de séjour est ainsi très différent, dans les divers bras du réseau et il est dépendant des modes d'écoulement. Ceux-ci sont affectés, bien entendu par la consommation de l'eau, consommation qui peut aussi favoriser certains passages préférentiels.
Certains centre hospitaliers ont ainsi réduit la capacité de stockage et le volume de certains ballons. Si ils chlorent l'eau, ils ont aussi réduit le T du produit C x T, donc l'efficacité de la chloration......
Il est, comme le rappelle justement certains auteurs anglo-saxons, illusoire de fixer des seuils de détection dans l'eau circulante et se baser sur ces seuils pour classer les eaux. Lors du colloque du CSTB du 16 décembre 1999, Monsieur le Professeur HARTEMANN du département Environnement et santé de la faculté de médecine de Nancy rappelait que " … qu'un résultat sera toujours donné en concentration en Légionelles inférieures à 50 ou 100 UFC/litre selon la limite de détection du laboratoire, donc ne correspond en aucun cas à une absence de Legionella ".
L'analyse microbiologique de Legionella ne donnerait ainsi, pour les faibles valeurs, moins de 50 ou 100 Legionella par litre et non zéro. Le contrôle doit rester permanent.

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Mécanisme de croissance et de décrochage du biofilm

Couche limite et biofilm

La couche limite est une zone, au contact avec les matériaux, particules solides ou liquides (huile...) qui est relativement peu perturbée par le fluide en circulation.
Dans une canalisation, la situation peut être résumée par le schéma suivant:

Il apparaît clairement que, au niveau de cette couche limite, certaines réactions physico-chimiques peuvent avoir lieu ainsi que des développements bactériens majeurs.
Selon l'épaisseur de la couche, l'on peut rencconter aussi bien:

un développement de biofilm, biofilm pouvant intégrer des légionelles,

des corrosions localisées, provenant d'une interaction entre l'eau, les bactéries et les parois,

un échauffement local de l'eau. C'est le problème classique des réseaux d'eau froide. Les légionelles se développent dans les eaux tièdes et il est communément accepté par les spécialistes que la température minimale de l'eau pour un début de croissance est 20 °C (25 °C pour de nombreux auteurs). Il n'est pas rare, pour une eau froide distribuée, dans un réseau public, avant le compteur, ou dans la partie privée dans un bâtiment ou un hôpital, de "prendre" 2 voire 3 °C.

Cette température est une température moyenne qui ne reflète pas la situation au niveau des parois. La couche limite, parfois épaisse de plusieurs centaines de µm, peut se réchauffer de 5 à 10 (voire plus) °C,
des décrochages, lors de variations rapides de la turbulence, du biofilm avec réduction de l'épaisseur de la couche limite.

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Les documents suivants montrent le mécanisme de formation du biofilm à travers des dessins:

accrochage et équilibre bactéries et formation du biofilm

Le biofilm se développe puis il peut se décrocher

Les meilleurs documents proviennent le plus souvent de l'Université d'Etat du Montana (MSU). Cette université dispose du centre de recherche sur les biofilms (CBE ou Center for Biofilm Engineering fondé par le Professeur CHARYAKLIS) de la NSF (National Science Foundation).

Echange avec le matériau de la surface dans un contexte de corrosion. du fer ferreux ou ferrique, indispensable est ainsi disponible (origine Université du Montana CBE)


Echange milieu matériau et le biofilm
(origine Université du Montana CBE)


Biofilm dans un tuyau (origine CBE université du Montana)

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Il est évident que faire un diagnostic ou suivre un traitement comme la chloration ou un traitement thermique en se basant uniquement sur un dénombrement des légionelles circulantes ne peut que conduire à des ERREURS.
Le suivi du biofilm est INDISPENSABLE et nous utilisons régulièrement un capteur avec suivi du biofilm sur un support (des billes de verre parcourues par l'eau à étudier, avec un écoulement laminaire autour des billes.
Celles-ci sont périodiquement extraites du réseau et le biofilm est désorbé des billes par ultrasons, durant un temps très court, selon un protocole proposé par le groupe de travail de l'AGHTM. Les bactéries (flore totale, légionelles..) sont dénombrées.
Le suivi de l'encrassement des billes est un indicateur peu coûteux, de l'état sanitaire des réseaux et de l'efficacité d'un nettoyage et d'un traitement.
Un autre capteur, essayé sur des installations industrielles, est en cours de développement. Le biofilm est un isolant électrique, et l'analyse de la conductivité sur des électrodes qui s'encrassent, permet, avec un système expert de:
- suivre l'encrassement des réseaux,
- décider et piloter les désinfections et nettoyages.L'autre grand centre travaillant sur les biofilms et les légionelles est l'université de Pittsburgh que vous pouvez découvrir avec le site: legionella.org

biofilm sur PVC
(origine université de Pittsburgh laboratoire d'étude sur la Legionella Professeur Janet E. STOUT)

Depuis plus de 2 ans, chaque fois que nous le pouvons, nous proposons

une étude du comportement hydraulique de l'eau dans les canalisations avec :
- au minimum, une mesure des vitesses dans les réseaux d'eau, tronçons par tronçons. Ces études que l'on fait systématiquement lors des bonnes études sur les réseaux d'eau potable sont à faire AUSSI sur les réseaux d'ECS,
- une modélisation du comportement de l'eau dans les réseaux. Un exemple donné par ailleurs montre tout l'intérêt d'une modélisation. Là aussi la technologie se rapproche des études sur l'eau potable,

une étude du biofilm avec un capteur à biofilm. ce capteur, mis au point et utilisé depuis 2 ans, colle aux exigences du groupe de travail "biofilms" de l'AGHTM et coordonné par le Professeur Lévi de la faculté de pharmacie de Chatenay-Malabry.

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Mise à jour juillet 2001- Révision 1-
copyright IRH Environnement et Jean-Louis ROUBATY 2001