Les biofilms bactériens

La littérature mentionne plusieurs définitions concernant le biofilm, preuve des nombreuses formes que ce mode de vie peut présenter. De façon schématique, un biofilm bactérien se définit comme un ensemble de micro-colonies bactériennes engluées dans leurs propres exopolymères hydratés (formant la matrice) et adhérant à une surface inerte ou vivante (Figure IV.1). L’unité structurale du biofilm est donc la micro-colonie [1]. La composante bactérienne représente 10 à 25% du biofilm, les 75 à 90% restants étant principalement composés par la matrice. Les bactéries de la micro-colonie sont caractérisées par l’absence de mouvements browniens.

Figure IV.I Eléments caractéristiques d’un biofilm bactérien [3].

Le biofilm est parcouru par des canaux aqueux qui constituent un système circulatoire primaire, assurant ainsi l’acheminement des nutriments jusqu’aux bactéries et l’évacuation des produits de dégradations.

II.2.2. Localisation des biofilms

Bien que les bactéries aient été isolées pour la première fois à partir de leur état planctonique, Zobell, en 1943, montra que la plupart des bactéries vivent fixées sur des surfaces [4]. Les microbiologistes admettent, désormais, que plus de 99% des bactéries présentes dans l’environnement, le milieu industriel ou médical vivent sous la forme de biofilms.

La formation des biofilms est un phénomène qui se produit à la fois dans l’environnement naturel et artificiel. En effet, les biofilms sont principalement pluri-espèces et sont trouvés dans les ruisseaux, les lacs et autres milieux aquatiques [5]-[8]. On les retrouve même dans des failles océaniques à 3500 mètres de profondeur [9] mais aussi, selon certains chercheurs de la NASA, sur Mars [10].

Dans les domaines industriels et biomédicaux, les biofilms sont responsables des phénomènes de biodétérioration engendrant des dégâts économiques et sanitaires importants. A titre d’exemple, en France, une enquête nationale, commandée par le Ministère de la Santé en 1996, montre qu’environ 7% des personnes hospitalisées contractent une infection nosocomiale. Parmi les infections, 36% sont urinaires, 13% pulmonaires et 11% sont localisées sur la zone opérée. Les maladies nosocomiales deviennent de plus en plus une

Micro-colonie

Matrice

Surface Circulation Bactérie

priorité de santé publique, du fait de leur fort taux de mortalité (50% des pneumopathies nosocomiales sont létales) et leur coût (45000 lits sur 550000, problème juridique…), sans parler de l’utilisation des antibiotiques qu’elles entraînent. Quelques autres exemples de problèmes associés à la formation des biofilms sont résumés dans le Tableau IV.1 [11], [12].

Tableau IV.1Exemples de problèmes associés à la formation des biofilms.

Compte tenu de son ubiquité et de ses propriétés extraordinaires, la compréhension du biofilm, de sa mise en place, de son maintien et de son évolution, représente donc un enjeu considérable dans tous les domaines où il est présent, qu’il soit nuisible ou utile.

II.2.3. Facteurs influençant la formation du biofilm

La croissance du biofilm adhérant sur la surface d’un matériau est fortement conditionnée par les interactions physico-chimiques entre les bactéries et la surface du biomatériau. Chacun de ces deux partenaires doit présenter un certain nombre de caractéristiques pour que la colonisation ait lieu.

L’étude des mécanismes de la formation des biofilms est une discipline récente. Cependant, de nombreux auteurs évoquent des étapes clés dans cette formation mais leur nombre reste encore variable et est en perpétuelle discussion [8].

Circonstances Problèmes/effets

Biofouling de la coque des navires

Les systèmes à flux liquides

Distribution des eaux

Attachement au matériel médical

Industrie du pétrole

Attachement aux dents

Nourriture, papier et industrie des peintures

Augmentation de la consommation en carburant [13]- [15]

Perte d’énergie et percement du matériel, réduction de la capacité d’échange thermique [16]- [18] Contamination à potentiel pathogène, diminution de la capacité des canalisations, corrosion [19]- [24] Résistance au traitement par les antibiotiques et augmentation du risque d’infections secondaires [25]- [30]

Corrosion par les bactéries sulfo-réductrices et blocage des canalisations [31], [32]

Formation de caries et plaques dentaires [33], [34] Détérioration et diminution de la qualité de production [35], [36]

Néanmoins, on pourra distinguer 3 phases majeures dans la formation du biofilm : le conditionnement et l’approche de la surface, la fixation à la surface et la maturation du biofilm, chacune de ces phases étant subdivisée en différentes étapes. A la fin de l’étape de maturation, les rassemblements de bactéries conduisent à la formation de micro-colonies engendrant l’élaboration du biofilm.

Du point de vue physico-chimique, plusieurs forces sont impliquées dans l’approche et la fixation de la bactérie sur la surface : les forces hydrodynamiques, le chimiotactisme, les interactions de van der Waals, les interactions électrostatiques et les interactions hydrophobes [37].

Les forces hydrodynamiques regroupent l’attraction, la friction, l’écoulement, la convection, la sédimentation et les mouvements browniens. Ces forces vont permettre à la bactérie de s’approcher du support de façon aléatoire. La convection et la sédimentation, quant à elles, permettent le déplacement des bactéries sur de longues distances.

Un chimiotactisme est induit lorsqu’un gradient de nutriments s’instaure entre le support et le milieu environnant. Des forces physiques sont impliquées dans l’attraction ou la répulsion électrostatique de la bactérie vers ou envers la surface. La nature chargée des surfaces attire les polymères solubles formant le film de conditionnement [38].

D’autre part, outre la charge surfacique et le caractère hydrophile ou hydrophobe des cellules bactériennes, l’énergie de surface des supports est également un paramètre très important conditionnant et influençant leur adhésion [39]- [42]. En effet, plusieurs auteurs illustrent l’adhésion bactérienne par ce paramètre thermodynamique et par l’utilisation de la théorie étendue de DLVO (Derjaguin Landau Verwey Overbeek) pour calculer les

interactions d’énergie entre les cellules bactériennes et le substrat (séparés d’une distance D) afin de prédire l’adhésion bactérienne [43], [44]. Ces méthodes incluent les interactions de Lifshitz van der Waals, les interactions de London, les interactions électrostatiques et les interactions hydrophobes. Toutefois, d’autres auteurs [45], [46] estiment que l’énergie de surface seule ne peut expliquer ce phénomène car ils n’ont pu établir aucune corrélation entre l’énergie de surface de plusieurs polymères et l’adhésion de diverses bactéries.

La rugosité des surfaces est également un paramètre important influençant l’adhésion bactérienne. Ceci serait dû au fait que les substrats rugueux possèdent une surface de contact supérieure, et au fait que les creux dans les surfaces rugueuses fournissent plus de sites favorables à l’adhésion bactérienne [47]- [50].

Par ailleurs, la formation du biofilm après l’ancrage des bactéries sur les surfaces, signant la colonisation totale du substrat, est conditionnée par plusieurs facteurs physico-chimiques (température, pH, pression…), mécaniques (forces de cisaillement), climatiques et biologiques (génotype du microorganisme, taux de croissance, affinité pour le substrat...) [51].