Biofilms dans les systèmes de distribution d’eau
Les microbes trouvés dans les systèmes de distribution d’eau peuvent être classés en populations indigènes (autochtone) et exogènes (allochtone). Les organismes indigènes sont des bactéries formant des biofilms bien adaptés qui représentent un écosystème stable et difficile à éradiquer. Les bactéries exogènes sont des contaminants qui sont transportés dans le système par une variété de mécanismes.
Le développement d’un biofilm permanent dans le système de distribution se produit parce que plusieurs groupes microbiens trouvent des conditions physiques et chimiques propices à la colonisation et à la croissance à l’interface surface solide/eau. Ces conditions comprennent un approvisionnement suffisant en nutriments (tels que mesurés par le carbone organique assimilable, COA) pour la croissance, une température relativement stable et un certain degré de protection contre l’exposition à des produits chimiques nocifs tels que le(s) désinfectant(s) de l’eau.
Lorsqu’un résidu de désinfectant adéquat est maintenu dans tout le système de distribution, la croissance microbienne est généralement bien contrôlée et la densité des bactéries dans l’eau en vrac voyageant dans les tuyaux restera faible – dans la gamme de < 10 à plusieurs centaines d’UFC ml- 1 (HPC). La densité des bactéries dans le biofilm, cependant, peut être plusieurs ordres de grandeur plus élevés, allant jusqu’à 1 × 105 CFUcm- 2 (HPC). La concentration résiduelle de désinfectant nécessaire pour contrôler la croissance des bactéries varie d’un système d’eau à l’autre.
Le choix du milieu et de la méthode utilisés pour déterminer la densité bactérienne peut entraîner des comptes faibles ou élevés de bactéries hétérotrophes. En général, un milieu de culture riche et une incubation à 35 °C donneront des dénombrements plus faibles qu’un milieu nutritif dilué et une incubation à 20-28 °C. Les facteurs qui semblent être critiques sont le pH, la température, la concentration de carbone organique dissous (COD), la concentration de COA et le type de désinfectant utilisé. Le résidu de désinfectant réduira ou supprimera également la croissance extensive du biofilm si le résidu est maintenu dans tout le système. Néanmoins, seule une petite fraction des bactéries est cultivable. Les méthodes qui mesurent l’adénosine triphosphate (ATP) peuvent donner une idée de la biomasse microbienne viable totale dans un échantillon d’eau potable. Récemment, des méthodes basées sur l’ARN ont été développées pour mesurer et identifier les bactéries actives présentes dans l’eau potable.
Les résidus de désinfectant doivent être d’au moins 0,2 mg l- 1 pour le chlore et 0,4 mg l- 1 pour la monochloramine (NH2Cl). Des concentrations plus élevées de désinfectant résiduel peuvent être appliquées et maintenues, mais si l’eau contient des niveaux élevés de COD, il peut être difficile de maintenir un désinfectant résiduel adéquat pour contrôler la croissance bactérienne tout en ayant une eau esthétiquement acceptable pour les consommateurs. Les concentrations bactériennes dans l’eau de distribution varient de < 1 CFU ml- 1 dans l’eau quittant l’usine de traitement à 105-106 CFU ml- 1 dans l’eau provenant de zones à faible débit ou stagnantes du système de distribution. Les concentrations de bactéries dans l’eau et sur la surface des tuyaux varient dans l’espace et dans le temps dans le système de distribution. Les densités bactériennes dans le biofilm des parois des tuyaux et dans les sédiments peuvent atteindre 107 UFC cm- 2. Le biofilm apporte des bactéries à l’eau courante par perte de cisaillement (érosion) et par migration de cellules bactériennes activement mobiles dans l’eau.
Certaines des bactéries couramment trouvées dans l’eau potable, les sédiments et les biofilms sont énumérées dans le tableau 3. Beaucoup de ces bactéries se retrouvent à la fois dans l’eau et dans le biofilm, ce qui indique l’influence du biofilm sur la qualité bactérienne de l’eau du réseau de distribution. En effet, c’est dans les biofilms que la croissance bactérienne la plus importante se produit dans le système de distribution. De plus, ces biofilms multi-espèces forment des microniches relativement protégées où les agents pathogènes peuvent trouver refuge. Les bactéries présentes dans l’eau potable sont détectées et dénombrées à l’aide de milieux et de méthodes de culture traditionnels (coliformes, coliformes thermotolérants, comptage sur plaques hétérotrophes, etc.) Le développement récent de méthodes moléculaires indépendantes de la culture (basées sur l’ADN et l’ARN) a commencé à révéler la grande diversité des bactéries dans l’eau, les biofilms et les sédiments. Les gènes de nombreuses bactéries qui ne peuvent pas encore être cultivées ont été détectés à l’aide des méthodes basées sur l’ADN et l’ARN.
Tableau 3. Exemples de microorganismes trouvés dans l’eau de distribution traitée, les sédiments et le biofilm du système de distribution, tels que rapportés dans la littérature scientifique évaluée par des pairs
| Microorganisme | Eau de distribution | Sédiment | Biofilm |
|---|---|---|---|
| Pseudomonas spp. | X | X | X |
| Alcaligenes spp. | X | X | |
| Acinetobacter spp. | X | X | |
| Moraxella spp. | X | X | X |
| Arthrobacter spp. | X | X | X |
| Corynebacterium spp. | X | ||
| Bacillus spp. | X | X | X |
| Enterobacter spp. | X | X | X |
| Micrococcus spp. | X | ||
| Flavobacterium spp. | X | X | X |
| Klebsiella spp. | X | X | X |
| Mycobacterium spp. | X | X | X |
| Porphyrobacter | X | ||
| Blastomonas | X | ||
| Sphingomonas | X | ||
| Bosea | X | ||
| Phenylobacterium | X | ||
| Delftia | X | ||
| Bactéries du fer et du soufre | X | X | X |
| Bactéries nitrifiantes | X | X | X |
| Yeasts/fungi | X | X | X |
| Invertébrés/protozoaires | X | X | X |
| Virus entériques | X | X | X |
Les bactéries du fer et du soufre sont des organismes « nuisibles » qui causent des problèmes de goût et d’odeur et sont souvent associées aux sources d’eau souterraine. Les bactéries et les champignons nitrifiants causent des problèmes dans les systèmes d’eau potable chlorés, notamment l’épuisement du chlore résiduel total, la conversion des composés azotés réduits tels que l’ammoniac en nitrites et en nitrates, et des niveaux élevés de bactéries hétérotrophes. Les invertébrés et les protozoaires sont des organismes nuisibles associés à des plaintes d’ordre esthétique concernant la qualité de l’eau. Les invertébrés et les protozoaires peuvent également héberger des bactéries pathogènes et non pathogènes, soit à l’intérieur, soit attachées à leurs surfaces, et cette association fournit aux bactéries un certain degré de protection contre l’inactivation par les résidus de désinfectants. http://www.epa.gov/ogwdw/disinfection/tcr/pdfs/whitepaper_tcr_biofilms.pdf
Les informations sur le développement et le contrôle des biofilms dans l’eau potable sont rares (EPA, 1992). De plus, il existe de maigres données sur d’autres questions liées aux biofilms, y compris le rôle des bactéries du fer et du soufre dans le développement des biofilms, le rôle des biofilms dans la corrosion des matériaux des tuyaux, le rôle des biofilms dans la nitrification pour les systèmes qui utilisent des chloramines comme désinfectant secondaire, et l’effet de l’ajout d’inhibiteurs de corrosion sur les populations bactériennes dans les biofilms.
La présence de chlore ou de chloramine retarde le développement et affecte la distribution spatiale du biofilm. Le type de résidu de désinfectant fourni sélectionne les bactéries qui sont plus tolérantes au désinfectant spécifique utilisé. L’environnement du biofilm assure la protection des cellules par la résistance à la diffusion et la neutralisation du désinfectant. Par conséquent, les organismes du biofilm sont moins inhibés par le désinfectant résiduel que les cellules planctoniques. L’efficacité différentielle du chlore et de la monochloramine pour le contrôle de la croissance des biofilms a été démontrée. La monochloramine, parce qu’elle est moins réactive et donc plus persistante, peut apparemment pénétrer le biofilm et est plus efficace que le chlore pour contrôler la croissance du biofilm.
Dans certains cas, les coliformes qui pénètrent dans le système de distribution peuvent se fixer aux tuyaux ou aux sédiments des tuyaux et proliférer, devenant ainsi un constituant du biofilm. L’élimination intermittente, sporadique ou persistante des bactéries coliformes des biofilms dans l’eau du système de distribution peut entraîner des violations répétées des normes relatives aux coliformes totaux. Ce problème est le plus souvent associé aux services publics qui utilisent un approvisionnement en eau de surface où la température de l’eau est ≥ 15 °C. La sécurité publique dicte que tous les coliformes détectés par les analyses soient considérés comme représentant la vulnérabilité du système, à moins que des preuves solides ne suggèrent le contraire.
Le service public devrait revoir ses opérations de traitement et augmenter la surveillance de la qualité de l’eau entrant dans le système de distribution pour être sûr qu’un traitement inadéquat ou défaillant n’est pas responsable des occurrences de coliformes totaux et que E. coli n’est pas présent dans l’eau. Le service public de distribution d’eau devrait également examiner l’exploitation et la gestion du système de distribution d’eau pour s’assurer de l’absence d’E. coli, de la présence d’un résidu de désinfectant, de l’application d’un programme adéquat de contrôle des raccordements croisés et du maintien d’une pression adéquate pour prévenir l’intrusion de contaminants microbiens. Enfin, le service d’eau doit s’assurer que les grands volumes d’eau stockés dans des réservoirs, des bornes-fontaines ou des réservoirs hors sol ne sont pas la source du problème des coliformes totaux.
Pendant les périodes d’eau chaude, il est plus difficile de maintenir un désinfectant résiduel dans l’eau de toutes les parties du système de distribution. Avec l’augmentation de la température, le désinfectant réagit plus rapidement avec les produits chimiques organiques dissous dans l’eau et dans le biofilm, et les bactéries se développent plus rapidement. L’augmentation des taux de réaction et la croissance bactérienne sont souvent aggravées par un manque de connaissance de l’hydraulique du système et du mouvement réel de l’eau dans le système. Dans de nombreux cas, il existe de grandes zones où le mouvement de l’eau est minimal. De nombreux services d’eau peuvent créer des problèmes de contaminants microbiens ou chimiques par leur incapacité à comprendre le fonctionnement de leurs systèmes ; une meilleure gestion du système peut réduire ces problèmes.