Développement d’un biofilm bactérien au sein des réseaux

Formation du biofilm

La prolifération bactérienne sous forme de biomasse fixée dans les réseaux de distribution d’eau potable est le résultat d’un ensemble de processus physique, chimique et biologique.

Ainsi, la formation d’un biofilm se réalise en plusieurs étapes faisant intervenir ces différents processus :



• le transport des microorganismes,
• l’attachement des microorganismes à la surface des conduites du réseau,
• la colonisation du support.

Organisation des biofilms au sein des systèmes de distribution d’eau potable

Structure des biofilms
La structure des biofilms présents dans les réseaux de distribution d’eau potable est aujourd’hui incertaine. En effet, les conditions d’accès au biofilm, sans détérioration de celuici, sont difficiles, d’autant plus que la biomasse y est présente en faible quantité. Cette difficulté est renforcée par la présence de débris, de produits de corrosion, de dépôts minéraux, de tubercules de corrosion, matériaux susceptibles d’offrir de nouvelles niches ou surfaces à coloniser. Les descripteurs couramment utilisés, tels que l’épaisseur, la densité ou les dimensions fractales, sont obtenus à partir de biofilms générés en laboratoire, et semblent donc plus ou moins inadaptés à la problématique. Cependant, des analogies peuvent être faites (Block et al, 2001):

• Le biofilm présente une structure hétérogène et discontinue, marquant une dispersion non uniforme des colonies à la surface du matériau. Les agrégats qui se différencient au niveau des biofilms sont entourés par des canaux qui peuvent occuper jusqu’à 50% de volume total du biofilm. Par ces canaux, circulent eau, nutriments, particules et protozoaires.
• Les biofilms sont constitués d’un mélange de microorganismes d’activité variable en fonction de leur position dans l’agrégat, et des caractéristiques de celui-ci. Ainsi, lorsque les biofilms sont de faible épaisseur (< 40 µm), le transfert de nutriment et d’oxygène n’est pas limité. De plus, les grandeurs traduisant l’activité de l’ensemble (µ, Ks, Y) ne semblent pas modifiées par rapport aux bactéries circulantes. Lorsque le biofilm est plus épais (>80 µm), l’activité respiratoire est plus faible pour les couches les plus profondes.
• L’accumulation des biofilms à la surface des matériaux se réalise dans des zones où la circulation de l’eau est freinée par des frottements sur la paroi. Les transferts au travers de cette couche de différentes molécules (O2, oxydant, nutriment) sont limités par leur vitesse de diffusion, et une différenciation des métabolismes peut être observée (cf. figure 4).
• L’état stationnaire des biofilms n’est sans doute jamais atteint dans les réseaux de distribution réels, du fait des discontinuités fréquentes d’alimentation, et donc de la variation du régime hydraulique du système. Ceci peut également être attribué aux changements de la nature et des concentrations en nutriments et désinfectants, l’introduction de nouveaux organismes. Au cours de leur vieillissement, les biofilms de réseau de distribution d’eau potable doivent subir une réorganisation constante, avec la formation de nouveaux microagrégats, de nouveaux canaux, …

Répartition le long d’un réseau de distribution
La dynamique du biofilm s’opère en fonction de la disponibilité en nutriments et de la capacité d’adaptation des bactéries. Ainsi, le long d’un réseau de distribution d’eau potable, le degré de colonisation bactérienne n’est pas uniforme et l’ensemble évolue sous l’action de deux paramètres principaux :

• le taux d’oxydant résiduel, plus important en tête de réseau et au niveau des postes de rechloration, ne permet pas la non-implantation des biofilms, mais limite leur développement. Cependant, sa consommation le long du réseau de distribution ne permet plus, par la suite, ce contrôle.
• les éléments nutritifs sont plutôt consommés dans les premières parties du réseau. Aux extrémités, la mort des populations bactériennes s'accompagne d'un relargage des composés cellulaires en raison des conditions défavorables à leur survie. Ce flux de mortalité libère des composés qui servent alors de CODB aux autres organismes.

Ainsi, en tête de réseau, pas ou peu de biomasses fixées sont observables, du fait d’un taux de résiduel d’oxydant élevé (Mémento du gestionnaire de l'alimentation en eau potable, 1994). Le long du réseau, la consommation du chlore résiduel s’accompagne d’une augmentation de la densité des microorganismes. Cependant, la présence de microorganismes entraîne une consommation du CODB de l’eau, ce qui explique une légère diminution de l’abondance bactérienne lorsque les temps de résidence augmentent ou lorsque l’on atteint les fins de réseau.

Régulation physique de la croissance des biofilms

Deux phénomènes de régulation de l’épaisseur du biofilm sont observés :

• des phénomènes d’érosion, les pertes sont alors localisées à la surface du biofilm,
• des phénomènes de dépouillement, marqués par des pertes entières de portion de biofilm.

Des facteurs physiques tels que des facteurs hydrodynamiques (régime turbulent sous l’effet des variations rapides de vitesses d’eau, faces de cisaillement…), mais également sous des facteurs biologiques, telles que la lyse cellulaire, ou la formation de bulle de gaz (en condition anaérobie) peuvent entraîner un déséquilibre de la structure du biofilm et un décrochement d’une partie de celui-ci.

Le transport des nutriments et de l’oxygène à l’intérieur du biofilm sont des facteurs importants du décrochage du biofilm. L’existence d’un gradient de diffusion des nutriments est un facteur limitant pour la croissance du biofilm et oriente la composition du biofilm en terme de population bactérienne.