Conditions environnementales de prolifération des microorganismes au sein du bâtiment

microorganismes au sein du bâtiment

Les microorganismes impliqués dans les problèmes d’air intérieur peuvent être soit d’origine humaine ou extérieure, soit présents dans l’air suite à une prolifération sur les surfaces intérieures de l’habitat. Dans ce dernier cas, ils se développent sur des surfaces et, lors des stades avancés de leur croissance, relarguent des cellules/spores ou/et des composés pouvant affecter la santé des occupants. Si les colonisations microbiennes sont visibles à l’œil nu, il y a alors d’importants risques de relargage de spores dans l’air, et il est donc important de connaître les facteurs ayant conduit à cette prolifération. La principale catégorie de microorganismes impliqués dans les problèmes d’air intérieur suite à des proliférations correspond aux moisissures. Ces champignons microscopiques nécessitent la présence d’eau, de substrats carbonés et de minéraux pour se développer (Botton et al., 1990). Dans l’environnement intérieur d’une habitation, ils peuvent croître directement sur la nourriture, sur le bois ou encore le papier peint. En plus d’une source de nutriments, ces microorganismes ont besoin de conditions environnementales particulières pour assurer leur croissance. De nombreuses études se sont intéressées au développement fongique à la surface des matériaux de construction et ont tenté de modéliser les conditions environnementales optimales de croissance sur ces supports (Hoang et al., 2010; Isaksson et al., 2010; Johansson et al., 2012, 2013; Latif et al., 2015; Nielsen et al., 2004; Pasanen et al., 2000; Ryu et al., 2015).

Humidité

L’activité de l’eau (aw) est un élément clef dans le développement des moisissures, notamment dans l’habitat (Ayerst, 1969; Grant et al., 1989; Nielsen et al., 2004; Pasanen et al., 1992b). Elle correspond à la pression de vapeur d’eau d’un produit humide divisée par la

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pression de vapeur saturante à la même température. Cette quantité correspond à l’eau disponible pour les réactions biochimiques, et par la même occasion utilisable par les microorganismes pour leur croissance.

De nombreuses études se sont intéressées à la relation entre l’activité de l’eau et la croissance des microorganismes (Corry, 1987; Gibson et al., 1994; Leong et al., 2006; Parra and Magan, 2004; Sautour et al., 2002). La croissance fongique peut être observée à partir d’une aw de 0.7 (Brown, 1976; Pitt and Christian, 1968), mais le seuil minimum d’activité de l’eau varie en fonction des espèces de champignons (Grant et al., 1989). Pour la majorité des moisissures, le développement est possible à partir d’une aw de 0.78 (Ayerst, 1969; Nielsen, 2002). Chez certaines espèces (Alternaria, Aureobasidium, Botrytis, Cladosporium ou encore

Epicoccum), une survie à des humidités faibles (aw autour de 0.5) peut toutefois être observée sur 3 semaines (Park, 1982). Les moisissures possèdent donc des capacités de croissance différentes suivant les espèces. Certaines sont capables de se développer dans des environnements secs, et sont nommés xérophiles, tandis que d’autres nécessitent des milieux fortement humides, et sont appelées hydrophiles.

Dans la majorité des habitats, aucun problème d’HR n’est observé, limitant ainsi la croissance des microorganismes. Par exemple, si le taux d’humidité dans l’air reste en dessous de 70%, il n’y a pas de risque de développement de moisissures dans l’habitat (Hacker et al., 2005). Cependant, l’apparition de microorganismes et la colonisation des surfaces du bâtiment ont été reportées occasionnellement lorsque certains seuils d’humidité ont été atteints à l’intérieur du bâtiment (Andersen et al., 2011; Cooley et al., 1998; Johanning et al., 1996; Straus, 2011; Straus et al., 2003). Si l’activité de l’eau est supérieure à 0.75, cela implique des risques importants de développement fongique au sein de l’habitat (Viitanen et al., 2010). L’humidité relative minimum pour la croissance de moisissures est toutefois fortement dépendante du type de matériau de construction et de sa propre capacité de rétention d’eau (Johansson et al., 2005; Nielsen et al., 2004) : i) 70 % pour des matériaux à base de bois, ii) 85 % pour du plâtre et iii) 90 % à 95 % pour des matériaux cimentaires et des bétons. Lorsque le matériau n’est pas en condition humide (non imbibé), l’humidité relative nécessaire au développement de champignons est très élevée, de l’ordre de 85 à 95 %. A l’inverse, la présence d’eau liquide dans le matériau favorise fortement la croissance et la sporulation des microorganismes (Black and Straube, 2007; Doll, 2002; Pasanen et al., 1991, 1992b, 1992a). D’une manière plus générale, une humidité élevée et incontrôlée (HR entre 60 % et 90 %)

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conduit au développement de moisissures à l’intérieur de la construction (Nielsen et al., 2004).

Les dégâts des eaux sont donc l’un des facteurs principaux du développement microbien à l’intérieur du bâtiment et peuvent avoir des origines variées (Andersen et al., 2011). L’humidité contenue dans l’air peut se condenser sur des surfaces plus froides que l’air ambiant, et alors former des zones avec de l’eau liquide, favorable à la croissance microbienne. Cette vapeur d’eau peut être produite par l’activité humaine (cuisine, lessive, douche, etc.) ou par le métabolisme du corps humain (respiration, transpiration). L’eau peut également provenir du sol (nappe phréatique, eaux d’infiltration, fuite de canalisations enterrées) et, par remontée capillaire par les fondations ou dans des murs poreux, humidifier la structure du bâtiment, et par la même occasion, l’air intérieur. Elle peut également être apportée lors d’intempéries comme des inondations, des fortes pluies ou des fontes de neiges. Des défauts dans la toiture ou dans les murs de l’habitation peuvent aussi conduire à une humidification importante et incontrôlée. Enfin, elle peut survenir lors de rupture de canalisation sous pression à l’intérieur du bâtiment. Les mesures d’humidité relative sont donc de bons indicateurs de la probable contamination microbienne, notamment pour les matériaux de construction dans les bâtiments ayant subi des dégâts des eaux (Boutin-Forzano et al., 2004; Pasanen et al., 2000).

Les bactéries sont également impliquées dans la pollution de l’air intérieur, et en particulier les bactéries à Gram négatif avec la production d’endotoxines. L’humidité est l’un des facteurs favorisant la présence d’importantes teneurs en endotoxines bactériennes dans l’air. A l’inverse, l’usage de déshumidificateur est associé à de faibles concentrations en endotoxines dans l’habitat (Rylander, 2002). L’aw nécessaire à la croissance des bactéries est plus élevée que pour les champignons, de l’ordre de 0,91 (Rockland et al., 1987). L’impact des endotoxines sur la qualité de l’air intérieur reste toutefois moins étudié que celui des moisissures, car moins fréquemment évalué.

Température

Le second paramètre prépondérant dans le développement des microorganismes est la température. En fonction des espèces, les températures de croissance s’étendent globalement de 0 à 50°C (Ayerst, 1969; Sedlbauer, 2001). Dans la mesure où la majorité des bactéries et moisissures d’importance pour l’homme correspond à des espèces mésophiles, les températures optimales de croissance les plus répandues sont comprises entre 20°C et 30°C

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(Adan and Samson, 2011; Grant et al., 1989; Magan and Lacey, 1984). Les températures optimales de croissance étant différentes suivant les espèces, la croissance microbienne peut être observée entre 10°C et 35°C au sein des bâtiments (Nielsen et al., 2004).

Oxygène

L’oxygène est un autre facteur influant sur le développement microbien. Il existe deux types de respiration, avec différents types de comportement par rapport à l’oxygène chez les microorganismes :

- Aérobie : les organismes dits aérobies présentent des chaines d’oxydo-réduction utilisant l’oxygène comme accepteur final d’électrons. Les moisissures se développent en condition aérobie.

- Anaérobie : le mécanisme respiratoire n’utilise pas le dioxygène comme accepteur final d’électrons, mais une substance minérale oxydée.

o Les bactéries dites anaérobies-stricts sont détruites en présence d’oxygène du fait de la production d’H₂O₂ létal, en absence de capacité à dégrader ce composé.

o Les microorganismes anaérobies facultatifs sont capables de fonctionner en aérobiose ou anaérobiose suivant la disponibilité du dioxygène dans l’environnement.

Dans la mesure où les supports au sein de la maison sur lesquels les moisissures et bactéries risquent de se développer (murs, sols, meubles, …) sont toujours au contact de l’air ambiant, les microorganismes aérobies ou anaérobies facultatifs sont essentiellement retrouvés lorsqu’il y a un développement microbien dans le bâtiment. L’oxygène n’est donc pas un critère pris en compte lors des études de flore intérieure.

Au vu des comportements variés des microorganismes en fonction des différents paramètres environnementaux, les espèces se développant dans un environnement ou sur un support seront fortement dépendants de ces conditions. Dans le cas des contaminations de l’air dues à la prolifération de microorganismes sur des surfaces, différentes modèles de développement des espèces fongiques sur des matériaux de construction en fonction de l’humidité relative et de la température ont donc été proposés (Clarke et al., 1999; Viitanen

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and Ojanen, 2007). Néanmoins, d’autres caractéristiques sont également à prendre en compte pour ce type de contamination, et notamment les propriétés du support colonisé.

2.3.3.3.2. Impact des matériaux de construction sur la prolifération des

microorganismes

En plus de paramètres environnementaux, les caractéristiques physico-chimiques du support sur lequel les moisissures sont susceptibles de se développer vont influencer leur croissance.

Composition du matériau

Dans le cas de la croissance des microorganismes, la composition chimique du substrat a une influence primordiale (Ayerst, 1969; Gutarowska, 2010; Hoang et al., 2010; Spengler and Chen, 2000). Selon sa composition, le matériau de construction peut être directement utilisé comme source de nutriments par les microorganismes (Lugauskas et al., 2003; Santucci et al., 2007; Vacher et al., 2010). Si le matériau contient de la cellulose, comme dans le cas des matériaux biosourcés avec des fibres végétales ou les matériaux à base de bois, cet effet sera encore plus prononcé. En effet, la cellulose représente une source carbonée facilement assimilable par certains microorganismes, et en particulier les champignons. Dans son étude, Gutarowska (2010) a mesuré le développement d’Aspergillus niger, de Penicillium expansum et Penicillium chrysogenum sur différents matériaux de construction associés à un milieu de culture. Les matériaux contenant de la cellulose (papier peint, plâtre en carton) étaient plus favorables au développement fongique que les autres (plâtres, ciments), notamment grâce aux cellulases produites par les champignons. A l’inverse, le fort pH du ciment ainsi que les composés inorganiques le composant ont limité la prolifération fongique. De même, Hoang et

al (2010) ont étudié le développement de champignons sur des matériaux de construction

verts et leur équivalents non verts, avec, dans ces deux catégories, certains matériaux contenant des matières organiques (planche en fibres de tournesol, parquet en bambou, planche en pin recyclé, parquet en bois). Les matériaux ont été inoculés soit artificiellement avec une suspension d’Aspergillus niger à la surface, soit naturellement en les exposant à l’environnement intérieur, puis ont été placés sous forte humidité (89 %). Dans les deux cas, les matériaux riches en cellulose ont présenté un développement fongique plus important par rapport aux matériaux inorganiques, qu’ils soient verts ou non. L’utilisation de ces matériaux organiques comme source de nutriments par les champignons les rendraient plus sensibles à la prolifération fongique. Les matériaux sans matière organique, comme les plâtres ou les

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bétons, seront moins susceptibles d’être utilisés comme substrat (Grant et al., 1989; Gutarowska, 2010; Hoang et al., 2010). Cependant, des saletés et des poussières peuvent se trouver sur les surfaces intérieures des bâtiments et être alors utilisées comme une source de nutriments par les microorganismes. Des matériaux n’étant alors théoriquement pas sensibles à la prolifération microbienne peuvent ainsi présenter des mycéliums visibles (Hoang et al., 2010).

pH

Le pH du milieu est un autre facteur influant sur le développement des microorganismes, avec différents pH optimaux suivant les espèces (Garraway and Evans, 1991). La majorité des germes se développent à des pH relativement peu acides / neutres, entre 4 et 7, ce qui rend les matériaux ayant un pH dans cette gamme plus sensibles aux microorganismes. A l’inverse, les matériaux au pH alcalin entre 12 et 13, comme les matériaux cimentaires au jeune âge, sont bien moins susceptibles de présenter des développements microbiens (Verdier et al., 2014). Cependant avec le temps, le processus de carbonatation à la surface des matériaux (formation de calcite par réaction du CO2 de l’air avec le calcium contenu dans la matrice cimentaire, en présence d’eau) conduit à une diminution du pH jusqu’à 9, rendant la surface du matériau de construction plus favorable au développement microbien (Shirakawa et al., 2002; Wiktor et al., 2009; Wilimzig and Bock, 1994). Certaines espèces bactériennes et fongiques ont toutefois une tolérance ou affinité pour les milieux à forts pH, et peuvent se développer malgré des conditions très stringentes (Sedlbauer, 2001). Par exemple, certaines bactéries alcalophiles peuvent être incorporées dans le béton afin d’en réparer les micro-fissures (Jonkers et al., 2010).

Rugosité / Porosité

Enfin, l’état de surface des matériaux a également un fort impact sur la capacité des microorganismes à coloniser un environnement et à s’y développer. Sur les matériaux de construction, deux paramètres sont principalement pris en compte : la porosité et la rugosité. Ces caractéristiques vont intervenir à la fois sur l’absorption de l’eau et sur l’accumulation de nutriments à la surface (D’Orazio et al., 2014; Gutarowska, 2010; Hoang et al., 2010) mais également sur l’adhésion des microorganismes dans les aspérités du matériau (Deruelle, 1991; D’Orazio et al., 2014; Tran et al., 2012). Dans le cas des matériaux de construction, les surfaces ont très souvent une forte porosité et rugosité. Dans un environnement avec une importante humidité ambiante, les matériaux à forte porosité captent l’eau de l’air (Hoang et

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al., 2010). La poussière et les nutriments se déposent et adhèrent plus facilement sur des surfaces à forte porosité et rugosité (Lugauskas et al., 2003; Van den Bulcke et al., 2007). Ces deux facteurs favorisent alors le développement microbien en surface.

De nombreux facteurs sont impliqués dans le développement microbien au sein d’un bâtiment. Les conditions environnementales et les caractéristiques du matériau colonisé (composition, propriété de surface, etc.) sont des critères essentiels pour la croissance des bactéries et champignons. Lorsque des conditions favorables sont rencontrées dans une construction, les microorganismes peuvent proliférer et relarguer dans l’air de multiples composés ou éléments cellulaires nocifs pour les habitants.