Influence du cuivre sur les biofilms mixtes de flore hétérotrophe

Certaines études ont démontré que les matériaux plastiques favorisent la croissance de micro-organismes. D’après Walker et al., ceci peut être dû aux additifs qui sont incorporés dans les canalisations en plastique, incluant des alkyl phtalates comme plastifiants, de l’hydroxytoluène butylate comme antioxydant, des stéarates comme lubrifiant et les thioethers comme stabilisateurs de chaleur. En revanche, Rogers et al. précisent que d’autres matériaux, en particulier le cuivre, peuvent limiter la formation de biofilm par l’accumulation d'ions cuivriques.



Dans une étude de Maule et al. financée par l'International Copper Association, un réseau modèle de laboratoire a été mis au point pour étudier l’influence de la température, du type d’eau et des matériaux de canalisations sur la survie et la croissance d’E. coli O157 dans les biofilms. Cette bactérie pathogène a été à l’origine d’épidémies alimentaires ou liées à l’eau potable contaminée. Un inoculum composé de mélange de flore bactérienne naturelle a été isolé par filtration d’eaux du robinet, provenant de trois approvisionnements domestiques en eau potable douce, modérément dure et dure. Le système est basé sur deux réacteurs de cultures bactériennes reliés en série. Le premier contient 500 ml de culture et est alimenté en eau stérile. Le volume de culture dans le second réacteur, où le développement des biofilms a lieu, est de 1 L et est alimenté par le flux du premier réacteur auquel on ajoute de l’eau stérile.

Des matériaux standards de canalisations de cuivre, polybutylène et acier inoxydable ont été utilisés comme supports de colonisation sur lesquels se sont développés les biofilms. La flore hétérotrophe bactérienne décrochée des surfaces est dénombrée sur un milieu R2A favorisant la reviviscence des bactéries fragilisées dans l’environnement.

En comparant l’effet des matériaux sur la colonisation dans différents types d’eau à différentes températures, il a été mis en évidence que le cuivre est 10 à 100 fois moins colonisé par la flore hétérotrophe dans l’eau de faible dureté que les autres matériaux. La colonisation la plus importante se produit sur le polybutylène (sauf à la température de 10°C).

Lorsque les biofilms se développent dans l’eau modérément dure, une forte biomasse recouvre le matériau plastique en polybutylène. L’acier inoxydable apparaît moins colonisé et le cuivre est le matériau présentant la plus faible biomasse.
Dans l’eau dure, les résultats sont similaires et le cuivre est le matériau le moins colonisé aux températures d’incubation de 10°C et 40°C mais pas à 20°C.

L’effet des matériaux sur la colonisation bactérienne est donc bien distinct, avec une biomasse plus importante sur le polybutylène que sur l’acier inoxydable et une colonisation plus faible sur le cuivre surtout à 40°C.

Cette tendance est confirmée par les résultats de pourcentage de recouvrement. En effet, les surfaces des échantillons ont été examinées pour déterminer l’ampleur du dépôt biologique réel sur la surface. Selon cette analyse, il était évident que la colonisation la plus faible était celle du cuivre, suivie par l’acier inoxydable et le polybutylène dans les trois types d’eaux. La seule exception est observée avec le cuivre à 10°C dans l’eau dure où le pourcentage de recouvrement est plus important que l’acier inoxydable mais la tendance globale montre clairement que le polybutylène est le plus colonisé, suivi par l’acier inoxydable et dans une moindre mesure le cuivre.

Silhan et al. ont étudié la formation des biofilms dans des segments de canalisation, collectés dans des installations domestiques d’eau potable, en acier galvanisé, en polyéthylène réticulé, en cuivre de diamètre interne de 12 mm et 16 mm et en polyéthylène de densité moyenne. Les tubes ont été remplis avec de l’eau et incubés à 15°C ou 35°C en conditions statiques. La formation de biofilm a été suivie pendant 32, 40 et 58 jours. Les résultats de cette étude montrent que le type de matériau affecte considérablement la formation de biofilm.

Après 58 jours à 15°C, la biomasse la plus importante s’est formée sur l’acier galvanisé, atteignant une flore hétérotrophe aérobie revivifiable d’approximativement 4,7.10⁵ UFC/cm² dénombrés sur gélose R2A (après incubation de 7 jours), la densité atteignait 3000 UFC/cm² sur le polyéthylène et le polyéthylène réticulé, et 50 et 500 UFC/cm² sur les canalisations en cuivre de 12 mm et 16 mm.





A 35°C, les dénombrements de biomasse les plus élevés sont atteints sur les tubes en plastiques avec environ 105 UFC/cm², les plus faibles sur les canalisations en cuivre : 1,3.10² UFC/cm² pour le Cu 12 mm et des valeurs huit fois inférieures pour le Cu 16 mm :



Les dosages de l’ATP confirment la tendance générale observée avec les dénombrements sur gélose. Les auteurs constatent que les canalisations en cuivre génèrent une densité bactérienne inférieure à celle des autres matériaux comparés.

Les expériences sur la production de biomasse dans les canalisations en cuivre de Van der Kooij et al. confirment d’autres études abordant le développement des biofilms sur des surfaces en cuivre au contact de l’eau. Leurs travaux ont été réalisés dans un système pilote d’eau chaude sanitaire avec des canalisations en cuivre, en acier inoxydable et en polyéthylène réticulé (PEX) alimentées par une circulation d’eau de distribution publique aux températures de 25-35°C. L’eau utilisée présente une faible teneur en carbone organique assimilable (COA < 10 µg C/L). Deux fois par semaine la température de l'eau dans les réchauffeurs électriques (pas dans les canalisations) a été élevée à 70°C pendant 30 min. Les valeurs moyennes de concentration de biofilm estimées par mesure de l’ATP sur la biomasse décrochée étaient similaires pour le cuivre et l’acier inoxydable (environ 630 pg ATP/cm²) et de 1870 pg ATP/cm² sur le PEX :



Les résultats montrent que les concentrations en ATP dans l’eau provenant des tubes de cuivre et d’acier inoxydable étaient relativement faibles par rapport au taux relativement élevé d’ATP dans l’eau et les biofilms provenant des tubes en polyéthylène. Les données montrent que le polyéthylène accroît la production de biomasse même après une période d’incubation supérieure à 2 ans. Les auteurs concluent par ailleurs que la formation de biofilm sur les surfaces en cuivre est similaire à celle sur les surfaces en acier inoxydable. Walker et al. ont déterminé dans quelle mesure une population composite de bactéries croît sur le cuivre, et sur d’éventuels matériaux de remplacement, tels le polyéthylène, le polybutylène et le PVC. Afin de simuler des systèmes correspondant à des circuits d’eau chaude ou froide, l’accumulation de bactéries en surface (ou « biofouling ») a été étudiée à des températures comprises entre 20 et 60°C. Des eaux de trois origines différentes, représentant les principaux types d’eaux communément utilisées au Royaume Uni, ont été testées : une eau douce provenant d’un captage en altitude, une eau de rivière, de dureté moyenne, et une eau dure souterraine. Les matériaux ont été insérés dans le modèle continu de culture de biofilm en utilisant ces trois types d’eau comme nutriment. L'inoculum se compose d'une population mélangée des bactéries, d’amibes et de protozoaires obtenues à partir d'un ballon d’eau chaude associé à une épidémie de légionellose. Les principales espèces bactériennes identifiées sont Pseudomonas spp. Mais d’autres organismes Gram négatif ont aussi été détectés, incluant Acinetobacter, Alcaligenes, Flavobacterium, Methylobacterium, Chromobacterium et Actinomyces. Le nombre total de bactéries cultivables à la surface des différents matériaux ont été déterminés pour des périodes de temps allant jusqu’à 21 jours :

Température	20°C	40°C	50°C	60°C
Cuivre	350	50	9,9	0,7
cPVC	1155	740	11,3	1,2
Polybutylène	950	3250	5000	63
EAU DURE Mesure de biomasse fixée (× 103 UFC par cm²) sur les matériaux. nt = non testé

Température	20°C	40°C	50°C	60°C
Cuivre	660	30	0,6	nt
cPVC	1880	1130	5,63	nt
Polybutylène	158	32000	805	nt
EAU MODEREMENT DURE Mesure de biomasse fixée (× 103 UFC par cm²) sur les matériaux. nt = non testé

Température	20°C	40°C	50°C	60°C
Cuivre	nt	1900	0,5	0,7
cPVC	nt	2500	nt	0,8
Polybutylène	nt	4670	nt	12
EAU DOUCE Mesure de biomasse fixée (× 103 UFC par cm²) sur les matériaux. nt = non testé

Le maximum de colonisation du polybutylène (4,6 x 10⁶ UFC/cm²) est 1,6 fois plus important que pour le polyéthylène (2,7 x 10⁶ UFC/cm²), 3,7 fois plus important que pour le cPVC (1,2 x 10⁶ UFC/cm²), 2,4 fois plus important que pour le cuivre (1,9 x 10⁶ UFC/cm²) dans l’eau douce à 40°C.



Le cuivre est le seul matériau étudié qui montre une diminution du nombre de bactéries durant le temps de l’expérience à 60°C.



Bien qu’un plus grand nombre maximum de bactéries colonisent le cuivre à 20°C dans l’eau modérément dure, le cPVC expose une tendance à la hausse à partir du 7ème jour alors que le cuivre montre une diminution dans le nombre de bactéries récupérées après le 7ème jour.

Le maximum de colonisation du polybutylène (3,1.10⁶ UFC/cm² au 1er jour) est 2,5 fois plus important que le cPVC et 214 fois plus important que sur le cuivre (14,7.10³ UFC/cm² au 21ème jour) à 40°C dans l’eau modérément dure. Le nombre de bactéries retrouvées sur le cuivre était 1000 fois inférieur à celui relevé à 20°C.

Il y a une différence significative entre le biofouling des trois matériaux dans l’eau modérément dure où le biofouling du polybutylène (800 000 cfu/cm² au 7ème jour) est 125 fois plus important que le cPVC (6309 cfu/cm²) et 1914 fois plus important que le cuivre (415 cfu/cm²). Le cPVC est colonisé 15 fois plus que le cuivre.

La colonisation bactérienne du cuivre apparaît quasiment systématiquement comme la plus faible surtout aux températures supérieures à 20°C. C’est pourquoi les auteurs recommandent le cuivre comme un matériau de choix.