La formation d’un biofilm

  • Les biofilms microbiens en bref :

En général, les micro-organismes s’attachent aux surfaces et développent des biofilms.

Un biofilm est un assemblage de cellules microbiennes associées à la surface qui forment une substance polymère extracellulaire, appelée matrice SPE.

Par conséquent, un biofilm est constitué de cellules hautement hydratées et immobilisées qui adhèrent à un substrat.

Les conditions essentielles à la croissance du biofilm sont les microbes eux-mêmes et un substrat.

Pour les bactéries, les avantages de la formation d’un biofilm sont nombreux :

  • La protection (contre les antibiotiques, les désinfectants et les environnements dynamiques).
  • Les communications intercellulaires au sein d’un biofilm permettant une adaptation temporelle rapide.
  • La capacité de survivre dans des conditions de carence en nutriments.

⚡ Les microbes sont des organismes microscopiques unicellulaires et sont présents partout. Ils font partie des formes de vie les plus anciennes sur terre et comprennent des bactéries, des champignons, des levures et des virus (multirésistants)

Bien que de nombreux micro-organismes soient bénéfiques (comme dans la fabrication de la bière, du yaourt ou du fromage), beaucoup sont indésirables dans certaines industries et circonstances.

Les répercussions négatives de la croissance du biofilm dans l’industrie sont énormes.

Les mécanismes derrière les attaches sont l’Adhésion (fixation cellule à substrat) et la Cohésion (fixation cellule à cellule).

Environ 99 % de la population bactérienne mondiale existe sous la forme d’un biofilm. Une minorité reste en suspension libre (état planctonique) dans le liquide.

Quelques exemples d’industries subissant les effets négatifs des biofilms :

Maritimes, produits laitiers, aliments et boissons, systèmes de traitement de l’eau, huile, pâtes et papiers, opticiens, hôpitaux (dentaires), étangs (de pêche), tours de refroidissement, hôtels et bâtiments publics…

Quelques exemples des effets néfastes de la formation d’un biofilm :

Problèmes de santé, détérioration des produits, efficacité de production réduite, corrosion, odeur désagréable, inesthétique, infection, maladie, obstruction des tuyaux et défaillance de l’équipement, consommation d’énergie accrue, etc.

Le secteur du transport maritime et de l’industrie pétrolière a des problèmes spécifiques de corrosion par des agents microbiologiques (MIC). Cela peut résulter en la présence de bactéries sulfato-réductrices (SRB qui produisent du H2S) dans les conduites et les réservoirs. Il en résulte un colmatage de la tuyauterie, une acidification de l’huile et une corrosion (microbienne).

Outre les bactéries sulfato-réductrices, il existe des bactéries oxydantes de soufre, oxydantes de fer et réductrices de fer ayant leurs propres caractéristiques nocives.

Pour en savoir plus : Le biofilm contribue à la corrosion

Grâce aux ultrasons de faible puissance, nous pouvons éliminer la croissance du biofilm et à la fois éliminer et prévenir l’entartrage.

Avec l’utilisation de micro-organismes ou de probiotiques efficaces, nous pouvons consommer ou transformer le biofilm en une substance moins nocive ou même utile.

Exemple dans le domaine de la bioremédiation : éliminer les contaminants tels que la rouille, le carbonate de calcium (chaux), les huiles et graisses, les composés azotés, etc.

  •  Formation du Biofilm :

La formation du biofilm est un processus dynamique.

Les premiers stades de formation du biofilm sont d’abord déterminés par:

  • des bactéries vivantes libres amenées à la surface de la matière solide
  • des processus physiques et chimiques et les forces hydrodynamiques.
  • des organelles extracellulaires comme les flagelles, les curli, les fimbriae ou les pili
  • des protéines de la membrane externe (aident à détecter et à interagir avec une surface donnée)

Source : Clemencedg IFREMER, 2010

Ces interactions peuvent aider les cellules à surmonter les forces répulsives à longue portée le long de la surface. Ce processus est critique dans la formation de la structure du biofilm et influencé par la surface du substrat (par exemple, l’hydrophobicité de charge, etc.). C’est à ce stade que les cellules bactériennes, habituellement maintenues en mouvement brownien, peuvent être éliminées relativement facilement par les forces de cisaillement. Par la suite, une fois la première fixation effectuée, l’arrêt flagellaire et les cellules fixées commencent à fabriquer le SPE. C’est ce processus qui favorise la transition de l’attachement des bactéries de l’état réversible à l’état irréversible. Les cellules fixées en permanence sont difficiles à détacher en raison de la matrice SPE. Ces communautés micrométriques se transforment en structures 3D sous forme de biofilms matures avec le SPE qui agit comme « colle/adhésif ».

Le biofilm est un film inhomogène en forme de tour (3D).

À des fins d’étude, on peut les cultiver dans un appareil de biofilmage de Calgary (CBD) et les rendre visuelles par une microscopie confocale à balayage laser (CLSM)

L’un des principaux composants du biofilm est l’eau. En fait, les chercheurs affirment que l’eau représenterait 80 % et plus du biofilm.

Les bactéries se déplacent vers la surface des matériaux par chimiotaxie pour y recevoir leurs nutriments. Cependant, il n’est pas si facile pour eux de se fixer à la surface du matériau car ils doivent surmonter certains obstacles tels que l’écoulement, les conditions de surface, les forces de coulomb, l’hydrophobicité, l’hydrophilie, etc. Finalement, les bactéries se fixent aux matériaux. Pendant un certain temps, les bactéries continuent le processus d’attachement et de détachement et, enfin, le nombre de bactéries commence à augmenter, en raison du processus d’attachement dominant. Lorsque la population bactérienne atteint une certaine valeur, ils excrètent simultanément des polysaccharides. Ce phénomène s’appelle la détection du quorum. A l’origine, chaque micro-organisme (de bactéries) donne un certain signal protéique à partir de son corps conjointement avec d’autres protéines. La quantité de protéine de signal appelée AI (auto inducteur) tend à augmenter avec le nombre de bactéries à la surface d’un matériau. Par conséquent, la quantité d’AI atteint une certaine valeur lorsque le nombre de bactéries atteint également une certaine valeur seuil. Lorsque la concentration d’AI dépasse un seuil critique, elle stimule une certaine partie du gène, ce qui entraîne l’excrétion simultanée de polysaccharides. Cela ressemble vraiment à une conversation entre bactéries. Ils utilisent la transmission chimique pour la conversation. De cette façon, le polysaccharide est généré et les bactéries commencent à exister dans la matrice du polysaccharide visqueux sur les surfaces des matériaux. Le biofilm se forme à ce stade.

Nous nous rendons compte que les bactéries dans les biofilms constituent le cas habituel et que les bactéries à l’état planctonique devraient être considérées comme une exception. En fait, certains chercheurs ont souligné que plusieurs dizaines de pourcentages pour le phénotype pourraient être changés de l’état planctonique à l’état de biofilm. Habituellement, la taille des bactéries est d’environ 1 μm dans le sens longitudinal. Cependant, elles ont tendance à rétrécir à 60-80 % de leur longueur initiale dans le biofilm. De cette façon, les bactéries semblent changer d’existence, en s’adaptant à une existence économe en énergie, de sorte qu’elles aient une chance de survivre. Le biofilm formé sur les surfaces des matériaux incorpore de nombreuses matières provenant de l’environnement, telles que les matières minérales, les matières organiques, etc. ainsi que l’interaction avec les substrats. De cette façon, le biofilm se développe avec le temps. La croissance du biofilm dépend de nombreux facteurs tels que la température, les autres conditions environnementales, le type de substrat, etc. Le débit est particulièrement important. En fait, c’est l’un des facteurs les plus importants pour déterminer la structure du biofilm et ses caractéristiques.

Le biofilm ne se développe pas éternellement. À un moment donné, l’effondrement est inévitable. Il semble que de nombreux facteurs puissent être impliqués dans la dégradation du biofilm. Ces facteurs font encore l’objet d’une étude à l’heure actuelle. Lorsque le biofilm est brisé, les bactéries du biofilm sont à nouveau libérées dans l’environnement et leur état « dormant » est à nouveau changé en celui de bactéries planctoniques. Ils se déplacent pour chercher les nutriments et trouver des surfaces de matériaux pour s’y attacher et s’y développer. Le processus est répété. Par conséquent, le biofilm peut être considéré comme une sorte de réservoir pour les bactéries planctoniques. De nombreux phénomènes des matériaux en science et en génie sont liés à la formation et à la croissance du biofilm. Par exemple, la corrosion est étroitement liée au biofilm. La corrosion sous influence microbiologique a été une discipline au cours de ce demi-siècle et a une relation étroite avec la formation du biofilm. Le problème de la formation de tartre sur les parois des conduites de refroidissement est également l’un des problèmes majeurs dans le domaine de la science et de l’ingénierie des matériaux.

Étant donné que les parois intérieures des tuyaux de refroidissement fournissent des conditions de croissance appropriées, le biofilm pourrait se former et se développer très facilement.

Au fur et à mesure que le micro-encrassement s’accumule à la surface du matériau, il forme de la bave et du tartre, ce qui a un impact et réduit la capacité d’échange thermique d’un tuyau. Cela entraîne une détérioration de la performance opérationnelle du système contaminé. Les biofilms sont considérés comme l’une des formes les plus courantes sous lesquelles les microorganismes existent à l’état naturel. Les bactéries sont élémentaires, unicellulaires et sont capables de croître, de se diviser, de s’adapter et de sentir.

Plusieurs facteurs environnementaux externes influencent également la production de SPE pour la formation de microcolonies favorables comme :

  • Le glucose
  • L’anaérobiose
  • L’osmoregularité élevée
  • L’augmentation de la température et/ou de la lumière du soleil
  • L’éthanol
  • La limitation des concentrations en fer
  • ,…

Les recherches des dernières années ont toutefois révélé que les bactéries s’attachent de préférence à une variété de surfaces et que les communautés bactériennes présentent des propriétés, des comportements et des stratégies de survie qui dépassent largement leurs capacités au niveau des bactéries individuelles. Par exemple, les biofilms microbiens sont naturellement tolérants aux doses d’antibiotiques jusqu’à 1 000 fois supérieures aux doses qui tuent les bactéries planctoniques.

La formation de toutes sortes de biofilms a coûté à l’industrie des milliards d’euros par an à cause de :

  • pertes d’énergie (échangeurs de chaleur ou coque de navire)
  • dommages aux équipements (fuites, colmatages)
  • contamination et détérioration du produit
  • infections et les maladies médicales. (problèmes de santé, intolérance aux antibiotiques)
  • coûts d’entretien (heures-personnes et coûts du matériel)
  • temps d’arrêt des machines (coûts d’exploitation)

Solutions against bio-fouling and scaling