Les biofilms dans les réseaux d'eau

Dans le monde invisible des microorganismes qui nous entourent, les biofilms constituent une forme d'organisation particulièrement sophistiquée et résistante. Ces communautés microbiennes complexes représentent un défi considérable pour la gestion des réseaux d'eau, qu'ils soient destinés à la consommation humaine, aux usages industriels ou aux installations sanitaires. Le Laboratoire Luxembourgeois de Contrôle Sanitaire s'intéresse de près à cette problématique, car elle touche directement à la qualité de l'eau et, par conséquent, à la santé publique. Cet article examine en profondeur ce que sont les biofilms, leur mode de formation, les risques qu'ils représentent et les stratégies efficaces pour les contrôler dans les systèmes de distribution d'eau.

Qu'est-ce qu'un biofilm?

Un biofilm est une communauté microbienne complexe et organisée, englobée dans une matrice protectrice autoproduite et adhérant à une surface. Cette définition, bien que technique, masque une réalité biologique fascinante: les biofilms représentent l'une des formes de vie les plus anciennes et les plus résilientes sur notre planète.

Ces structures sont composées principalement de bactéries, mais peuvent également contenir des champignons, des algues, des protozoaires et d'autres micro-organismes. Ce qui caractérise fondamentalement un biofilm est sa matrice extracellulaire, composée de substances polymériques extracellulaires (EPS). Cette matrice, constituée majoritairement de polysaccharides, protéines, ADN extracellulaire et lipides, joue le rôle d'une véritable "colle biologique" permettant l'adhésion aux surfaces et la cohésion de l'ensemble de la structure.

La matrice représente généralement 50 à 90% de la masse totale du biofilm, les cellules microbiennes n'occupant qu'une fraction minoritaire de cet écosystème. Cette architecture particulière confère aux biofilms des propriétés remarquables, notamment une résistance accrue aux stress environnementaux et aux traitements antimicrobiens conventionnels.

Formation et développement des biofilms dans les réseaux d'eau

La formation d'un biofilm dans un réseau d'eau n'est pas un événement fortuit mais un processus séquentiel et dynamique qui se déroule en plusieurs étapes bien définies:

Phase d'attachement initial

Tout commence par l'adhésion réversible de bactéries planctoniques (libres) à une surface. Dans les réseaux d'eau, cette surface peut être constituée de divers matériaux: acier inoxydable, cuivre, matières plastiques (PVC, polyéthylène), caoutchouc ou béton. Cette adhésion initiale est favorisée par les forces physiques comme les interactions électrostatiques et les forces de Van der Waals. À ce stade, l'attachement reste réversible, et les bactéries peuvent encore se détacher et retourner à l'état planctonique.

Phase d'attachement irréversible

Les bactéries qui persistent sur la surface commencent à produire des substances polymériques extracellulaires, principalement des exopolysaccharides. Cette production transforme l'attachement initial, qui était réversible, en une adhésion permanente. Les bactéries sont désormais ancrées solidement à la surface et entament une modification profonde de leur métabolisme et de l'expression de leurs gènes.

Phase de maturation

Une fois l'adhésion irréversible établie, le biofilm entre dans une phase de croissance et de maturation. Les bactéries se multiplient et continuent de produire la matrice extracellulaire. La structure devient de plus en plus complexe, avec l'apparition de microcolonies et de canaux aqueux qui permettent la circulation des nutriments et l'évacuation des déchets métaboliques. Cette architecture tridimensionnelle est souvent comparée à une ville microbienne avec ses "rues" et ses "bâtiments".

Phase de dispersion

Le cycle de vie du biofilm se complète par une phase de dispersion, durant laquelle certaines cellules se détachent pour coloniser de nouvelles surfaces. Ce détachement peut être actif (programmé génétiquement) ou passif (résultant de forces externes comme le flux d'eau). Les cellules dispersées retrouvent leur état planctonique et peuvent initier la formation de nouveaux biofilms ailleurs dans le réseau.

Composition microbienne des biofilms dans les réseaux d'eau

Les biofilms présents dans les réseaux d'eau constituent de véritables écosystèmes microbiens caractérisés par une biodiversité remarquable. Leur composition varie considérablement en fonction de nombreux facteurs environnementaux, notamment la température, le pH, la concentration en nutriments et la nature du matériau support.

Dans les réseaux d'eau potable, on retrouve fréquemment des bactéries appartenant aux genres Pseudomonas, Sphingomonas, Methylobacterium, Acinetobacter, Mycobacterium et Legionella. Les réseaux d'eau chaude sanitaire, en raison de leurs conditions thermiques particulières, favorisent le développement de bactéries thermophiles, avec une préoccupation particulière pour Legionella pneumophila, l'agent responsable de la légionellose.

À côté de ces bactéries, les biofilms peuvent également abriter des protozoaires comme Acanthamoeba et Naegleria, qui non seulement représentent un danger direct pour la santé, mais peuvent aussi servir d'hôtes à d'autres pathogènes comme Legionella, les protégeant ainsi des traitements désinfectants.

Il est important de souligner que ces microorganismes ne coexistent pas simplement les uns à côté des autres, mais établissent de véritables relations d'interdépendance. Certaines espèces modifient l'environnement local, créant des conditions favorables à l'implantation d'autres espèces. Ce phénomène, connu sous le nom de succession écologique, contribue à la complexification progressive du biofilm et à sa résilience accrue face aux perturbations environnementales.

Facteurs favorisant le développement des biofilms dans les réseaux d'eau

De nombreux paramètres influencent la formation et le développement des biofilms dans les systèmes de distribution d'eau. Leur compréhension est essentielle pour mettre en place des stratégies de prévention efficaces.

La nature et la concentration des nutriments

Dans les réseaux d'eau, les nutriments disponibles pour les microorganismes proviennent principalement de la matière organique dissoute. Cette matière organique peut être naturellement présente dans l'eau brute (composés humiques, protéines, polysaccharides) ou être introduite lors des traitements (additifs, floculants). Même à des concentrations très faibles (quelques microgrammes par litre), ces nutriments suffisent à soutenir le développement de biofilms.

La température de l'eau

La température exerce une influence considérable sur l'activité métabolique des microorganismes et, par conséquent, sur la cinétique de formation des biofilms. Dans les réseaux d'eau froide, les températures inférieures à 20°C ralentissent généralement la croissance microbienne, tandis que dans les réseaux d'eau chaude, les températures comprises entre 25°C et 45°C créent des conditions idéales pour le développement de nombreux microorganismes, notamment Legionella pneumophila qui prolifère optimalement entre 35°C et 42°C.

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Le pH et la composition chimique de l'eau

L'acidité de l'eau influence directement la physiologie des microorganismes et la stabilité de leur matrice extracellulaire. La plupart des bactéries rencontrées dans les réseaux d'eau se développent préférentiellement à des pH proches de la neutralité (6,5-8,5). De même, la présence de certains ions métalliques (fer, manganèse) peut stimuler la croissance bactérienne, tandis que d'autres (cuivre, argent) exercent un effet inhibiteur.

Les caractéristiques hydrauliques du réseau

Le régime d'écoulement de l'eau joue un rôle déterminant dans la formation des biofilms. Les zones à faible vitesse d'écoulement ou stagnantes (bras morts, réservoirs, chauffe-eau) favorisent l'adhésion des bactéries et l'accumulation de nutriments, créant des conditions propices au développement des biofilms. À l'inverse, les zones à fort cisaillement hydraulique limitent l'attachement initial des microorganismes mais peuvent contribuer à la dispersion des biofilms déjà formés.

La nature des matériaux constitutifs du réseau

Les différents matériaux utilisés dans la construction des réseaux d'eau présentent des susceptibilités variables à la colonisation microbienne. Les matériaux polymères (PVC, polyéthylène) peuvent relarguer des composés organiques servant de nutriments aux microorganismes. L'acier inoxydable, bien que généralement plus résistant à la formation de biofilms, peut présenter des zones de corrosion créant des micro-niches favorables à l'adhésion bactérienne. Le cuivre possède des propriétés antimicrobiennes intrinsèques mais devient moins efficace avec le temps en raison de la formation d'une couche d'oxydation.

L'efficacité des traitements désinfectants

L'efficacité des désinfectants utilisés pour le traitement de l'eau (chlore, chloramine, dioxyde de chlore) diminue progressivement à mesure que l'on s'éloigne du point d'injection, en raison de leur consommation par la matière organique et de leur dégradation naturelle. Cette diminution du pouvoir désinfectant favorise la prolifération microbienne dans les parties distales du réseau.

Risques associés aux biofilms dans les réseaux d'eau

Les biofilms présents dans les systèmes de distribution d'eau ne constituent pas seulement un problème technique, mais représentent également un enjeu majeur de santé publique et de sécurité sanitaire. Les risques qu'ils engendrent sont multiples et concernent différents aspects de la qualité de l'eau.

Risques microbiologiques et sanitaires

Le danger le plus évident lié aux biofilms concerne leur capacité à héberger des microorganismes pathogènes. Plusieurs bactéries potentiellement dangereuses pour l'homme trouvent dans les biofilms un environnement protecteur idéal:

• Legionella pneumophila, responsable de la légionellose, est particulièrement redoutée dans les réseaux d'eau chaude sanitaire. Cette infection pulmonaire grave, qui se contracte par inhalation d'aérosols contaminés, présente un taux de mortalité pouvant atteindre 10 à 15% malgré une antibiothérapie adaptée.
• Pseudomonas aeruginosa, un pathogène opportuniste impliqué dans diverses infections nosocomiales, notamment chez les patients immunodéprimés. Dans les établissements de santé, sa présence dans les biofilms des réseaux d'eau représente un risque majeur d'infection.
• Les mycobactéries non tuberculeuses (Mycobacterium avium, Mycobacterium kansasii) peuvent coloniser les biofilms et causer des infections pulmonaires chroniques, particulièrement chez les patients atteints de pathologies respiratoires préexistantes.
• Au-delà de ces pathogènes spécifiques, les biofilms constituent des réservoirs microbiens où peuvent s'échanger des gènes de résistance aux antibiotiques et aux désinfectants. Ce phénomène, facilité par la proximité des bactéries au sein du biofilm, contribue à l'émergence et à la dissémination de souches multirésistantes.

Altération de la qualité organoleptique de l'eau

Les biofilms peuvent significativement dégrader les qualités organoleptiques de l'eau, rendant celle-ci impropre à la consommation même en l'absence de risque sanitaire immédiat:

• Certaines bactéries présentes dans les biofilms produisent des composés volatils (géosmine, 2-méthylisobornéol) responsables d'odeurs et de saveurs désagréables, évoquant la terre ou le moisi, perceptibles par l'homme à des concentrations extrêmement faibles (quelques nanogrammes par litre).
• La prolifération d'actinomycètes ou de certaines cyanobactéries dans les biofilms peut également générer des métabolites altérant le goût de l'eau.
• Le détachement de fragments de biofilms peut entraîner une turbidité visible de l'eau, suscitant la méfiance des consommateurs et pouvant masquer l'efficacité de la désinfection résiduelle.

Problèmes techniques et économiques

Au-delà des aspects sanitaires, les biofilms engendrent de nombreux problèmes techniques qui affectent le fonctionnement des réseaux d'eau:

• La biocorrosion (ou corrosion influencée par les microorganismes) résulte de l'activité métabolique de certaines bactéries au sein des biofilms. Les bactéries sulfato-réductrices, par exemple, produisent de l'hydrogène sulfuré qui catalyse la corrosion des matériaux métalliques, réduisant considérablement leur durée de vie.
• L'entartrage biologique, causé par l'accumulation de matière organique et de précipités minéraux au sein des biofilms, réduit progressivement le diamètre effectif des canalisations, entraînant des pertes de charge hydraulique et augmentant les coûts de pompage.
• Le colmatage des membranes, filtres et échangeurs thermiques par les biofilms diminue leur efficacité et nécessite des opérations de nettoyage plus fréquentes, augmentant les coûts d'exploitation et raccourcissant la durée de vie des équipements.
• Ces problèmes techniques se traduisent par des impacts économiques considérables pour les gestionnaires de réseaux: augmentation des coûts de maintenance, remplacement prématuré d'équipements, consommation énergétique accrue pour le pompage et perte de productivité dans les installations industrielles.

Mécanismes de résistance des biofilms aux traitements

La remarquable résistance des biofilms aux agents antimicrobiens conventionnels constitue l'un des défis majeurs pour leur élimination des réseaux d'eau. Cette résistance, qui peut être jusqu'à 1000 fois supérieure à celle des bactéries planctoniques de la même espèce, repose sur plusieurs mécanismes complémentaires.

Barrière physique de la matrice extracellulaire

La matrice d'exopolymères qui entoure les microorganismes dans le biofilm forme une barrière physique limitant la pénétration des agents antimicrobiens. Cette matrice, composée principalement de polysaccharides, protéines et ADN extracellulaire, agit comme un filtre sélectif:

• Les composants de la matrice peuvent lier chimiquement certains désinfectants (comme le chlore) ou les inactiver par des réactions d'oxydoréduction, réduisant leur concentration effective au cœur du biofilm.
• La diffusion des molécules antimicrobiennes à travers cette matrice visqueuse est considérablement ralentie, créant un gradient de concentration qui protège les cellules situées dans les couches profondes du biofilm.

Hétérogénéité physiologique et adaptations métaboliques

Au sein d'un biofilm mature, les microorganismes présentent une remarquable hétérogénéité physiologique qui contribue à leur survie collective face aux stress environnementaux:

• Les gradients de nutriments, d'oxygène et de pH qui s'établissent naturellement dans l'épaisseur du biofilm induisent différents états métaboliques chez les bactéries. Les cellules situées en profondeur, souvent en état de dormance ou de croissance ralentie en raison de la limitation en nutriments, deviennent insensibles à de nombreux antimicrobiens qui ciblent spécifiquement les cellules en division active.
• Certaines bactéries au sein du biofilm adoptent un phénotype de "persisters" - des cellules en état de dormance profonde, intrinsèquement tolérantes à de nombreux stress environnementaux, y compris les concentrations élevées d'agents antimicrobiens.

Réponses adaptatives et communication intercellulaire

Les microorganismes organisés en biofilm développent des stratégies adaptatives collectives qui renforcent leur résistance face aux agressions externes:

• Le quorum sensing, un système de communication intercellulaire basé sur la production et la détection de molécules signal, permet aux bactéries de coordonner l'expression de leurs gènes en fonction de la densité cellulaire. Ce mécanisme régule notamment l'expression de gènes impliqués dans la synthèse de la matrice extracellulaire et la résistance aux stress.
• L'exposition à des concentrations sub-létales d'antimicrobiens induit l'expression de gènes de résistance et de systèmes d'efflux qui expulsent activement les molécules toxiques hors des cellules bactériennes.
• Le transfert horizontal de gènes (conjugaison, transformation, transduction) est considérablement facilité au sein des biofilms en raison de la proximité des cellules et de la présence d'ADN extracellulaire dans la matrice. Ce phénomène accélère la dissémination des déterminants génétiques de résistance entre les différentes espèces microbiennes cohabitant dans le biofilm.

Méthodes de détection et de surveillance des biofilms

La détection précoce des biofilms dans les réseaux d'eau constitue un enjeu crucial pour la mise en œuvre de stratégies de lutte efficaces. Plusieurs approches complémentaires sont disponibles, chacune présentant des avantages et des limitations spécifiques.

Méthodes conventionnelles de microbiologie

Les techniques traditionnelles de culture microbienne demeurent largement utilisées pour l'analyse de routine des eaux de distribution:

• Le dénombrement des bactéries hétérotrophes sur gélose nutritive (norme ISO 6222) permet d'estimer la charge bactérienne cultivable de l'eau. Une augmentation significative de ce paramètre entre l'entrée et la sortie du réseau peut indiquer la présence de biofilms.
• La recherche et le dénombrement de microorganismes indicateurs (coliformes, Pseudomonas aeruginosa, staphylocoques) permettent d'évaluer indirectement le risque de contamination microbiologique associé aux biofilms.

Méthodes rapides et techniques de biologie moléculaire

Pour pallier les limitations des méthodes conventionnelles, diverses techniques et moléculaires ont été développées:

La PCR quantitative (qPCR) permet de détecter et quantifier des séquences d'ADN spécifiques de microorganismes cibles, même présents en très faible concentration. Cette approche est particulièrement utile pour la détection de pathogènes difficiles à cultiver comme Legionella pneumophila.

Le séquençage à haut débit (NGS - Next Generation Sequencing) offre une vision exhaustive de la diversité microbienne présente dans les biofilms, permettant d'identifier l'ensemble des espèces présentes et leurs proportions relatives.

Méthodes d'analyse directe des biofilms in situ

L'analyse des biofilms directement dans les réseaux présente un intérêt majeur pour comprendre leur développement dans les conditions réelles d'exploitation:

• Les coupons témoins ou biofilms artificiels consistent à introduire dans le réseau des supports colonisables qui peuvent être retirés périodiquement pour analyse. Cette approche permet d'étudier la cinétique de formation des biofilms et d'évaluer l'efficacité des traitements sans perturber le fonctionnement du système.
• La microscopie confocale à balayage laser, couplée à des marquages fluorescents spécifiques, permet d'observer la structure tridimensionnelle des biofilms et la distribution spatiale des différentes populations microbiennes qui les composent.
• Les sondes optiques et électrochimiques permettent un suivi en continu de paramètres indirectement liés à la présence de biofilms (consommation d'oxygène, production de métabolites spécifiques) et peuvent être intégrées dans des systèmes d'alerte précoce.

Stratégies de prévention et de lutte contre les biofilms

La maîtrise des biofilms dans les réseaux d'eau nécessite une approche multifactorielle combinant mesures préventives et traitements curatifs. Une stratégie efficace doit prendre en compte les spécificités de chaque installation et s'adapter aux contraintes opérationnelles et réglementaires.

Conception et maintenance des réseaux

Une conception hydraulique optimisée constitue la première ligne de défense contre le développement des biofilms:

• L'élimination des zones de stagnation (bras morts, réservoirs surdimensionnés) limite l'accumulation de nutriments et l'adhésion des microorganismes.
• Le choix de matériaux peu propices à la colonisation microbienne (cuivre, acier inoxydable de qualité alimentaire) ou incorporant des agents antimicrobiens (argent, cuivre) réduit l'attachement initial des bactéries.
• La mise en place de dispositifs permettant un nettoyage mécanique régulier (brossage, raclage) ou facilitant les opérations de désinfection (vannes de sectionnement, points d'échantillonnage) améliore l'efficacité des opérations de maintenance.

Traitements physiques et mécaniques

Plusieurs approches physiques peuvent être mises en œuvre pour déstabiliser ou éliminer les biofilms déjà formés:

• Les chocs hydrauliques, consistant à augmenter temporairement le débit d'eau dans le réseau, créent des forces de cisaillement qui détachent les biofilms des surfaces. Cette technique simple peut être efficace pour les biofilms jeunes mais présente le risque de disperser les microorganismes dans l'ensemble du réseau.
• Les traitements thermiques, particulièrement adaptés aux réseaux d'eau chaude sanitaire, consistent à élever la température de l'eau au-delà de 60°C pendant une durée suffisante pour inactiver les microorganismes thermosensibles comme Legionella pneumophila.
• Les systèmes de filtration (filtres terminaux, ultrafiltration) offrent une barrière physique efficace contre la dissémination des microorganismes, notamment dans les zones à risque élevé comme les services hospitaliers accueillant des patients immunodéprimés.

Traitements chimiques

Les traitements chimiques demeurent incontournables pour la désinfection des réseaux d'eau, mais leur efficacité contre les biofilms établis reste variable:

• Le chlore et ses dérivés (hypochlorite, dioxyde de chlore, chloramines) restent les désinfectants les plus utilisés en raison de leur effet rémanent, mais leur pénétration dans les biofilms est souvent limitée par la réactivité de la matrice extracellulaire.
• Le peroxyde d'hydrogène, seul ou combiné avec l'acide peracétique ou des ions argent (procédé PEROX), présente un bon pouvoir oxydant capable de dégrader la matrice extracellulaire des biofilms.
• Les traitements enzymatiques ciblant spécifiquement les composants de la matrice extracellulaire (polysaccharides, protéines, ADN) permettent de déstructurer les biofilms et d'améliorer l'efficacité des désinfectants conventionnels.

Cadre réglementaire et recommandations

La gestion des risques liés aux biofilms dans les réseaux d'eau s'inscrit dans un cadre réglementaire de plus en plus exigeant, tant au niveau européen que national.

Réglementation européenne

La Directive européenne 2020/2184 relative à la qualité des eaux destinées à la consommation humaine, qui remplace la directive 98/83/CE, renforce les exigences en matière de surveillance microbiologique des réseaux d'eau potable. Elle introduit notamment une approche fondée sur les risques pour la gestion de la sécurité sanitaire de l'eau, incluant explicitement les risques liés à la distribution.

Réglementation luxembourgeoise

Au Luxembourg, le règlement grand-ducal du 7 octobre 2002 relatif à la qualité des eaux destinées à la consommation humaine définit les exigences de qualité microbiologique applicables à l'eau potable et impose aux distributeurs la mise en place de programmes de surveillance adaptés.

Pour les établissements recevant du public, en particulier les établissements de santé, des dispositions spécifiques concernant la prévention du risque lié à Legionella sont également applicables, notamment la circulaire du ministère de la Santé du 23 décembre 2022 relative à la surveillance de la qualité de l'eau dans les établissements sanitaires.

Conclusion

Les biofilms représentent un défi majeur pour la gestion des réseaux d'eau, avec des implications importantes en termes de santé publique, de qualité de service et de coûts d'exploitation. Leur complexité biologique et leur remarquable capacité d'adaptation aux stress environnementaux en font des adversaires redoutables, nécessitant des stratégies de lutte multifactorielles et évolutives.

La compréhension des mécanismes de formation et de résistance des biofilms a considérablement progressé ces dernières années, ouvrant la voie à des approches préventives plus efficaces. Parallèlement, le développement de nouvelles techniques analytiques permet une détection plus précoce et plus précise de ces structures microbiennes, facilitant la mise en œuvre de mesures correctives ciblées.

FAQ : Les biofilms dans les réseaux d'eau

Source :

https://environnement.public.lu/fr/waasser/eau-potable/qualite-et-surveillance.html
https://emwelt.lu/waasser
https://www.encyclopedie-environnement.org/sante/biofilms-bacteriens/