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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
2
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
3
Plan de la présentation
1. Outils d’étude du biofilm2. Applications possibles en eau potable3. Résultats des études menées en eau
chaude sanitaire
4
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
7
Coupons biofilms
Système porte-coupon
Méthode non destructivePrélèvement ne nécessitant pas de purge de canalisationSystème proche de la réalité
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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
18
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
21
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
24
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
27
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)
30
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.
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