Etude des variations de la qualité microbiologique de l'eau potable dans une usine de traitement

TEST DE DEUX NOUVEAUX DÉTECTEURS MICROBIO­LOGIQUES EN LIGNE INDÉPENDANTS

Dans l’usine de traitement étudiée, l’eau provenant d’un biofiltre et contenant des bactéries viables est soumise à une étape de désinfection secondaire par du dioxyde de chlore (fig. 1). La concentration résiduelle de dioxyde de chlore après stockage de l’eau dans le réservoir est d’environ 0,03 mg/l. En raison de l’application d’une étape de désinfection, l’analyse de la viabilité des bactéries est essentielle pour la surveillance de la qualité microbiologique de l’eau. Par conséquent, deux détecteurs microbiologiques en ligne ont été installés après le réservoir d’eau potable: un cytomètre de flux et un analyseur d’adénosine triphosphate, tous deux capables de distinguer les bactéries endommagées des bactéries intactes (fig. 2).

Analyseur d’adénosine triphosphate

L’adénosine triphosphate (ATP) est une molécule présente uniquement dans les microorganismes vivants et est donc un bon indicateur des dommages subis par les bactéries et de leur mort. L’analyse d’ATP est utilisée aux Pays-Bas depuis plus d’une décennie comme technique d’analyse de l’eau potable alternative aux méthodes de culture microbienne [9]. Pour la présente étude, un analyseur d’ATP en ligne d’un nouveau type  (EZ-ATP Online Microbiology Analyzer, Applitek) a été testé. Les réactifs permettant la détection d’ATP ont été fournis par Promega. L’appareil mesure, à intervalles de mesure définis, la concentration totale d’ATP et la concentration d’ATP extracellulaire, ce qui permet le calcul de la concentration d’ATP intracellulaire [10].

Cytomètre de flux

La cytométrie de flux est une technique qui permet le dénombrement des bactéries dans l’eau. Différentes approches de marquage des bactéries peuvent être appliquées pour différencier les bactéries intactes des bactéries endommagées [11]. La cytométrie de flux est une méthode largement utilisée en Suisse, comme alternative aux méthodes de culture microbienne, et a été recommandée par l’office fédéral de la santé publique suisse [12]. Dans cette étude, un nouveau cytomètre de flux en ligne (onCyt Microbiology) a été testé; deux marqueurs ont été combinés pour la mesure de la concentration totale de bactéries et la concentration de bactéries intactes [13]. Les deux instruments prennent des mesures à des intervalles de temps d’environ 10–15 minutes (fig. 2).

RéSULTATS: INTéRêT DE LA GÉNÉRATION DE GRANDES QUANTITÉS DE DONNÉES

Le cytomètre de flux et l’analyseur d’ATP ont été installés à deux périodes distinctes au niveau de la sortie du réservoir d’eau potable, et ont chacun collecté pendant 3 jours des données de mesures continues (fig. 3). Le niveau d’eau dans le réservoir n’est pas resté constant au cours de ces deux périodes, mais a fluctué considérablement du fait de la variation de la consommation d’eau sur une journée (consommation maximale le matin et le soir). Ces variations de niveau ont directement impacté le temps de résidence de l’eau dans le réservoir, et par conséquent le temps de contact des bactéries avec le dioxyde de chlore.

Résultats de la cytométrie de flux

La concentration totale des bactéries, mesurée par cytométrie de flux, est restée relativement constante sur les 3 jours de mesure (392 000 ± 12 000 cellules/ml; nombre de mesures n = 370), sans variation systématique. Cette concentration, plutôt haute pour une eau potable, est la conséquence directe du détachement continu de bactéries provenant du biofiltre (fig. 1). En revanche, la concentration des bactéries intactes, mesurée par cytométrie de flux, a fluctué entre 33 000 cellules/ml et 93 000 cellules/ml, avec des variations quotidiennes systématiques et inverses au niveau d’eau dans le réservoir. La concentration des bactéries intactes représente en moyenne environ 15% de la concentration totale des bactéries, ce qui met bien en évidence l’effet désinfectant du dioxyde de chlore. Les fluctuations quotidiennes de la concentration des bactéries intactes peuvent s’expliquer par le temps de contact des bactéries avec le dioxyde de chlore lorsque le niveau du réservoir varie. Plus le niveau est haut, plus le temps de contact avec le désinfectant est long, et plus la concentration des bactéries intactes est faible [10]. Ces données démontrent que les mesures de viabilité sont essentielles pour l’analyse en ligne de la qualité microbiologique de l’eau, en particulier lorsque des étapes de désinfection chimiques sont appliquées. De plus, ces données confirment bien que des mesures effectuées à fréquence élevée permettent de détecter l’effet de perturbations opérationnelles, comme il a déjà été démontré auparavant [3, 14].

Résultats de l’analyse d’ATP

Les mesures ont également révélé une concentration totale d’ATP relativement élevée (7,3 ± 1,0 ng/l; n = 318), n’indiquant aucune variation systématique reliée au niveau d’eau dans le réservoir (ni a d’autre pratiques opérationnelles fréquentes). En revanche, comme on pouvait s’y attendre, la concentration d’ATP intracellulaire était extrêmement basse (0,3 ± 0,9 ng/l; n = 318), et de nombreuses valeurs étaient en dessous de la limite de détection de la méthode utilisée dans cette étude. Des valeurs élevées de concentrations d’ATP intracellulaire ont été mesurées de temps en temps, ce qui peut être dû à la présence d’agrégations de bactéries dans l’échantillon d’eau analysé.
Notons que les données obtenues par l’analyse d’ATP intracellulaire ne décrivent pas de manière aussi évidente les fluctuations quotidiennes de la qualité de l’eau que la concentration des bactéries intactes mesurée par cytométrie de flux. Cette différence de résultats obtenus par les deux technologies est essentiellement due au principe de mesure des deux méthodes: l’analyse de l’ATP est une méthode extrêmement sensible de mesure de la viabilité des bactéries, particulièrement en présence de faibles concentrations de désinfectant. La détection des dommages subis par les cellules est bien plus rapide par l’analyse de l’ATP intra- (ou extra)cellulaire que par la mesure de la concentration des bactéries intactes par cytométrie de flux, qui est considérée comme une méthode plus conservatrice pour la détection des dommages cellulaires [10].

INTéRêT DE L’USAGE DE DIFFÉRENTS DÉTECTEURS MICROBIOLOGIQUES EN LIGNE

Les détecteurs microbiologiques en ligne sont très intéressants pour les traiteurs d’eau potable. Ils permettent notamment la détection des variations temporelles de la qualité microbiologique de l’eau qui résultent de perturbations naturelles ou encore de modifications dans les conditions d’opération des usines de traitement. Les deux détecteurs microbiologiques en ligne testés dans cette étude ont démontré les dommages sévères subis par les bactéries du fait de l’application d’un désinfectant. Ce résultat démontre que les mesures de viabilité des bactéries sont essentielles pour les mesures microbiologiques en ligne: ni la mesure d’ATP total ni celle de la concentration totale de bactéries n’ont fourni d’informations sur les dynamiques intrinsèques au système étudié. Les méthodologies d’analyse d’ATP et de mesure de concentration de bactéries intactes par cytométrie de flux n’ont pas fourni exactement les mêmes observations: l’analyse d’ATP était plus sensible aux dommages cellulaires, mais n’a pas mis en valeur aussi clairement les fluctuations dues aux changements de conditions d’opération que la mesure de la concentration des bactéries intactes par cytométrie de flux. Cette observation est logique: de même que pour les détecteurs abiotiques en ligne (pH, conductivité, turbidité, etc.), les différents paramètres microbiologiques mesurés fournissent des informations complémentaires entre elles sur l’état des cellules bactériennes [15]. Par conséquent, il est préférable de les utiliser simultanément pour pouvoir optimiser la caractérisation et la compréhension des systèmes étudiés.

INTéRêT DES COLLABORATIONS DE RECHERCHE SUR LES QUESTIONS DE MICROBIOLOGIE

Cette étude souligne également l’importance de la recherche collaborative entre les instituts de recherche, les traiteurs d’eau potable et les entreprises de développement technologique lié à l’analyse de la microbiologie de l’eau potable. De telles collaborations sont essentielles pour évaluer les toutes nouvelles technologies dans des conditions réelles d’opération. Des observations faites sur site peuvent ensuite être testées par les chercheurs pour une meilleure compréhension des mécanismes impliqués. De même, les traiteurs d’eau potable bénéficient directement de ce type de collaboration par une meilleure compréhension de leur système de traitement d’eau.