Observation du caractère biocide

Dans le cas des bactéries, les propriétés biocides des photocatalyseurs sont principalement observées de deux manières :

 en réalisant des observations microscopiques qui permettent d’examiner l’étendue des colonisations mais aussi l’état de dégradation cellulaire,

 en soumettant un milieu liquide contenant les bactéries au substrat photocatalytique activé par une illumination adéquate. Des aliquotes sont ensuite prélevées à des échéances définies. Ces prélèvements sont étalés sur un milieu de culture et la quantité approximative de bactéries dans le milieu est déterminée en unité formant une colonie (UFC).

Kikuchi et al. (1997) ont ainsi étudié les propriétés biocides de film de TiO2 en contact avec une eau chargée en cellules d’E. coli. Une enceinte permet de soumettre les échantillons à une lumière UV avec une intensité de 10 W.m-2 centrée autour de 360 nm. Après la période d’illumination, les cellules sont retirées et collectées dans une solution aqueuse de NaCl. La solution ainsi formée est dispersée sur un milieu agar dans le but de déterminer le nombre de cellules vivantes en unité formant colonies (UFC). La Figure I-17 montre qu’en présence de TiO2 et de lumière, au bout d’une heure, le taux de survie d’E. coli diminue jusqu’à des valeurs négligeables. En outre, même quand les cellules sont séparées du film de TiO2 par une membrane de 50 µm d’épaisseur en PTFE avec des pores de

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0,4 µm, aucune survie des cellules n’est observée après 4 heures d’illumination UV. A la même échéance mais en l’absence du film de TiO2 seulement la moitié des cellules sont éliminées, par photolyse. Ces expériences démontrent donc bien le caractère antibactérien des surfaces présentant une activité photocatalytique.

Figure I-17 : Taux de survie de E. coli en fonction de l’illumination (Kikuchi et al. 1997)

Kim et Kwak (2009) ont obtenu des résultats similaires en utilisant des plaques de verre ayant reçu un revêtement photocatalytique. Ils ont également montré que l’augmentation de la taille des particules induite par la variation du temps de calcination dans le protocole de synthèse du photocatalyseur aboutit à une diminution de la vitesse de dégradation des cellules E. coli. De plus, la vitesse de dégradation peut être augmentée en utilisant les particules de TiO2 mésoporeuses. Dans le cas du revêtement à base de Degussa P25, l’efficacité de la désactivation est de 47 % après 90 minutes alors que l’emploi de particules mésoporeuses permet d’obtenir une désactivation quasiment totale après 60 minutes d’irradiation UV-A. La forte efficacité des particules mésoporeuses est justifiée par une surface spécifique supérieure à celle du produit de Degussa. De manière générale, les agents antibactériens diminuent la viabilité des cellules mais il peut subsister des composés tels que des endotoxines (toxines de nature lipopolysaccharidique situées dans la membrane externe de certaines bactéries) même après la mort de la cellule. Sunada et al. (1998) ont observé que la photocatalyse permet non seulement de tuer les cellules de la bactérie E. coli mais aussi de décomposer les composés toxiques de la cellule. Pour cela, ils ont étudié l’effet biocide d’un revêtement de TiO2 appliqué sur des substrats de verre à l’encontre de cellules E. coli. Dans ce but, ils ont mesuré l’effet bactéricide et la dégradation de ces endotoxines. Un rayonnement UV frappe les échantillons photocatalytiques par en-dessous (l’intensité sur la surface active est d’environ 4 W.m-²). Une solution contenant les bactéries est appliquée sur la face supérieure dans

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une monture cylindrique. La concentration en endotoxine dans la suspension d’E. coli est mesurée par une méthode colorimétrique et comparée à celle d’un standard. Le suivi de la population bactérienne est réalisé par dénombrement en terme d’unité formant colonies (UFC) sur un milieu agar. La concentration en endotoxine en fonction du temps diminue sur la surface photocatalytique éclairée. Cette diminution n’est observée ni sur le film photocatalytique non éclairé ni sur une plaque de verre éclairée.

La concentration en endotoxine dans la suspension d’E. coli et le taux de survie des cellules sont suivis en parallèle. Sous illumination UV et sans agent photocatalytique, le taux de survie des cellules décroit graduellement et la concentration en endotoxine augmente simultanément. Cette évolution s’explique par le fait que les endotoxines sont libérées lors de la mort de la cellule. La même expérience en présence d’un agent photocatalytique augmente la vitesse de dégradation des bactéries E. coli. On observe en outre la diminution simultanée de la concentration en endotoxine. Ces résultats montrent clairement que les surfaces photocatalytiques sont à l’origine d’un effet biocide et qu’elles permettent aussi de dégrader les composés toxiques émis par les bactéries. On voit ainsi un des avantages de la photocatalyse face aux biocides classiques qui permettent de détruire les microorganismes mais pas les endotoxines (utilisation d’ions Ag+ par exemple).

Les propriétés antibactériennes de la photocatalyse ne se limitent pas à la dégradation des bactéries Escherichia coli et sont efficaces pour d’autres types de bactéries. Poulios et al. (1999) ont ainsi démontré le caractère biocide de revêtements de TiO2 vis-à-vis de différentes espèces de bactéries (Escherichia coli, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa) et de différentes espèces de champignons (Alternaria, Aladosporidium, Penicillium). Cette étude visait plus particulièrement à étudier la protection photocatalytique appliquée au marbre. Les résultats montrent qu’en présence de TiO2 et de lumière, les concentrations en bactéries et en champignons ont diminué d’environ 99 % pendant une période de 10 jours. Par ailleurs, la vitesse de dégradation apparaît dépendante du type de microorganismes étudié. Parmi les champignons, les espèces Cladosporium sont dégradées environ deux fois plus vite que les Penicillium.

A l’aide du dispositif présenté sur la Figure I-10 (page 61), Giannantonio et al. (2009) ont montré qu’un béton utilisant un ciment photocatalytique illuminé par un rayonnement solaire artificiel permettait d’inhiber le développement de 8 espèces de champignons par rapport à un béton fabriqué à l’aide d’un ciment ordinaire. Toutefois, le développement n’est pas complètement empêché et certaines espèces de champignons ont été capables de survivre.

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