Impact de l’hydrodynamique sur l’adsorption virale à des surfaces

Le transport des microorganismes dans le milieu hydrique est fortement influencé par

l’absence (conditions hydrostatiques) ou la présence (conditions hydrodynamiques) d’un

flux d’eau. Ce transport des particules fait intervenir, la diffusion Brownienne, la convection,

éventuellement la migration (pour les microorganismes dotés d’un flagelle par exemple) et

enfin la sédimentation pour les particules dont la taille dépasse le micromètre. Les virus

entériques, de par leur taille comprise entre 20 et 30 nm, peuvent être considérés comme des

biocolloïdes inertes qui ne sont pas soumis à la sédimentation, ni à la migration. Pour les

virus, le nombre de Peclet étant le rapport entre la convection et la diffusion est très petit, ce

qui induit une diffusion pure même en absence d'écoulement. Les parois sont alors le siège

de l'adsorption des particules virales qui subissent la diffusion Brownienne (Bird, 2007). Les

conditions hydrodynamiques du milieu vont également conditionner leur transport vers les

surfaces. De ce fait, ces particules virales sont théoriquement soumises à la diffusion

Brownienne en l’absence de flux et à la diffusion ainsi qu'au transfert convectif en présence

d’un écoulement (Bird, 2007).

2.2.1. Conditions hydrostatiques et diffusion Brownienne

En absence d'écoulement, les particules colloïdales en suspension ne sont jamais

immobiles, elles sont soumises à l’agitation thermique responsable d’un mouvement rapide

et désordonné des particules qui s’entrechoquent aléatoirement entre elles ainsi qu’avec les

molécules du fluide qui les entoure. Ce mouvement aléatoire détermine leur coefficient de

diffusion, lequel est inversement proportionnel à la taille des particules, cela signifie que plus

la particule est petite, plus elle va diffuser rapidement dans le milieu (Equation 1,

Stokes-Einstein).

ܦ = ^୏ా × ୘

଺ × g × µ × ୰ ^{Equation 1}

Avec K

B

la constante de Boltzmann (1,38.10

-3

J/K), T la température (K), µ la viscosité

dynamique de l’eau (10

-3

m

2

.s

-1

) et r (m) le rayon de la particule colloïdale. Une éventuelle

agrégation des particules virales aura une incidence directe sur le coefficient de diffusion et

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le transfert des particules. Le coefficient de diffusion dépend également de la viscosité du

milieu dans lequel la particule se trouve puisque son augmentation entraîne une diminution

de la diffusion des particules. Enfin, une augmentation de la température va provoquer une

augmentation de la diffusion des particules.

2.2.2. Conditions hydrodynamiques et transfert convectif

En présence d’un flux hydrodynamique, les particules sont convectées par

l'écoulement tout en subissant la diffusion Brownienne. Ce transport convectif dépend

fortement de la nature de l'écoulement qui peut être de deux natures, laminaire ou turbulent.

En conditions laminaires d’écoulement, les lignes de coutant restent parallèles et le profil de

vitesse décrit une parabole (Figure 13). Dans des conditions d'écoulement turbulent, des

tourbillons hydrodynamiques induisent un brassage important au cœur de l'écoulement ce

qui modifie très fortement le profil de vitesse et notament les gradients de vitesse près de la

paroi (Figure 13).

Figure 13. Représentation schématique d’un écoulement laminaire ou turbulent.

En conditions d’écoulement laminaire, le flux (Ǿ) de virus arrivant à la surface (A) va

dépendre de la concentration virale dans l’eau (C

0

), du gradient pariétal de vitesse (γ), de

l’eau à la surface qui est directement lié à la vitesse de l’eau, du coefficient de diffusion (D)

de la particule et donc de sa taille, et enfin des dimensions de la surface d'observation (L :

longueur de la surface A considérée) (Equation 2).

Ecoulement turbulent

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Ǿ= ܣ × ܥ_଴ ቀ^ఊ×஽_௅

^మ

ቁ^ଵ/ଷ Equation 2

En théorie, A et L sont constantes. Lors d’un écoulement laminaire, plus la vitesse du

fluide est importante plus le flux de virus arrivant à la surface est important. Ceci est valable

jusqu'à un certain seuil où les forces de cisaillement, qui sont proportionelles au gradient

pariétal (γ), commencent à arracher les particules virales adhérées à la paroi.

La plupart des études consacrées à l’adsorption de microorganismes sur des surfaces

concernent des bactéries et des résultats contradictoires sont retrouvés dans la littérature. En

effet, certaines études montrent qu’une augmentation de la vitesse d’écoulement correspond

à une augmentation du nombre de bactéries formant le biofilm (Percival et al., 1999; Ollos et

al., 2003; Lehtola et al., 2006). En revanche, d’autres auteurs montrent le phénomène inverse,

avec une augmentation de la vitesse d’écoulement d’eau aboutissant à une diminution de la

biomasse du biofilm (Donlan et Pipes, 1988; Ragazzo, 2002). Ces résultats contradictoires

montrent la difficulté à déterminer la limite entre les effets favorables à l’adsorption et ceux

favorables à l’arrachage. En effet, les bactéries ont la capacité de se reproduire dans

l’environnement hydrique, leur nombre dans le milieu ainsi que dans le biofilm peut donc

évoluer au cours du temps.

Lors d’un écoulement turbulent les particules colloïdales auraient une plus forte

probabilité de rencontrer la surface du fait du brassage plus important et la quantité de

bactéries adsorbées sur les surfaces serait théoriquement plus importantes en conditions

turbulentes par comparaison à un flux laminaire.

3. Interactions entre les virus et les biofilms

L’étude des interactions entre les virus entériques et les biofilms sous-entend de

prendre en considération l’adsorption virale sur les biofilms, la persistance des virus

infectieux au sein des biofilm, ainsi que l’effet protecteur que peut leur procurer le biofilm

notamment vis-à-vis des biocides présents dans l'eau. Il est également important d’évoquer

la notion de relargage ou de désorption des particules virales adsorbées à des portions de

biofilm. Un faible nombre d’études a été consacré à l’interaction des virus avec les biofilms et

la majorité d’entre elles concerne des travaux réalisés dans des pilotes permettant la maîtrise

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de paramètres nécessaires à l’interprétation des résultats. Le bactériophage le plus

couramment choisi dans la littérature en temps que modèle pour l’étude de l’adsorption

virale sur les surfaces colonisées par des biofilms est le phage MS2 (Hock et Botzenhart, 2002;

Storey et Ashbolt, 2001 et 2003; Helmi et al., 2008).

Avant de faire une revue de la littérature concernant l’état des connaissances sur les

interactions entre les virus et les biofilms, il est important d’évoquer des éléments purement

méthodologiques soulignant la complexité de telles analyses et la variabilité des mesures

effectuées.

Dans le document Intéraction de bactériophages avec des surfaces colonisées par des biofilms d'eau potable et évaluation de protocoles de nettoyage (Page 63-66)