Electrochemical sensor for iron detection for the control of L. pneumophila : Application to water analysis in cooling towers
Capteur électrochimique à fer pour la maîtrise de L. pneumophila : application à l'analyse de l'eau dans les tours aéro-réfrigérantes
Résumé
L. pneumophila (Lp) is an opportunistic pathogenic bacterium which frequently colonizes artificial water systems. Bacteria present in contaminated microdroplets of water are inhaled by human beings and, under certain conditions, can lead to a lethal pneumopathy (Legionnaires' disease) in 10 to 15% of cases. Cooling towers are systems which are the most frequently involved in contamination due to favorable microbiological growth conditions leading to the presence of Lp at high levels, within biofilms included. If cleaning and disinfection operations based on biocides are carried out as part of maintenance or during excessive contamination, they must be proportionate and justified in order to limit pollutant release into the environment. Besides, it has been shown that the presence of Lp is increased when iron concentrations are in the micromolar range in water. While the iron requirements of the bacterium are recognized, the impact of Fe(II) and Fe(III) on the bacterial population remains unknown, especially during the formation of the Lp biofilm. The main objective of this work is therefore to define the relationship between the two forms of iron and the persistence/growth of Lp in order to come up with the development of an original method based on electrochemistry for the control of Lp in cooling towers. The present work initially focuses on the development of an electrochemical sensor functionalized by the cationic resin Nafion®, allowing the determination of micromolar concentrations of Fe(II) and Fe(III) by cyclic voltammetry. The analytical performances (repeatability, reproducibility, sensitivity, accuracy and selectivity) of the sensor were then evaluated in synthetic solutions. The influence of Fe(II) and Fe(III) on the formation of mono-species biofilms in Lp was then studied based on an existing model. Analysis of biofilms formed in the presence of Fe(II) and/ or Fe(III) was performed by colony forming unit (CFU) counts and quantification of Genome Units (UG; qPCR). The major differences observed, particularly in terms of viability/cultivability losses, were confirmed by observation by confocal laser scanning microscopy (CLSM). This study showed that the presence of Fe(III) had a negative impact on the viability and cultivability of the adhered bacteria contributing to their death or their transition to the viable-non-cultivable (VBNC) state. The electrochemical sensor was then tested in a real environmental sample by carrying out measurements in water taken from a cooling tower prototype. The accuracy of the sensor was demonstrated during the determination of Fe(II) and Fe(III) concentrations. Finally, a first relationship has been established between the presence of iron and the status of Lp in cooling tower waters.
L. pneumophila (Lp) est une bactérie pathogène opportuniste colonisant fréquemment les réseaux d'eau artificiels. Les bactéries présentes dans les microgouttelettes d'eau contaminée sont inhalées par l'être humain et, sous certaines conditions, peuvent conduire à une pneumopathie (maladie du légionnaire) létale dans 10 à 15 % des cas. Les tours aéroréfrigérantes (TAR) sont les systèmes les plus fréquemment incriminés dans la contamination en raison de conditions de croissance microbiologique favorables conduisant à la présence de Lp à des taux élevés, y compris au sein de biofilms. Si des opérations de nettoyage et de désinfection à base de biocides sont réalisées dans le cadre de l'entretien ou lors d'une contamination excessive, elles doivent être proportionnées et justifiées afin de limiter les rejets polluants dans l'environnement. Par ailleurs, il a été montré que la présence de Lp est accrue à partir de concentrations en fer de l'ordre du micromolaire dans l'eau. Si les besoins en fer de la bactérie sont reconnus, l'impact des formes Fe(II) et Fe(III) et des concentrations observées dans les eaux de TAR sur la population bactérienne reste inconnu, surtout lors de la formation du biofilm à Lp. L'objectif principal de ce travail est donc de définir la relation entre les deux formes du fer et la persistance/croissance de Lp afin de proposer le développement d'un procédé original basé sur l'électrochimie pour la maîtrise de Lp dans les TAR. Les travaux présentés dans ce manuscrit se sont focalisés dans un premier temps sur la mise au point d'un capteur électrochimique fonctionnalisé par la résine cationique Nafion®, permettant la détermination des concentrations micromolaires du Fe(II) et Fe(III) par voltammétrie cyclique. Les performances analytiques (répétabilité, reproductibilité, sensibilité, exactitude et sélectivité) du capteur ont ensuite été évaluées dans des solutions synthétiques. Dans un deuxième temps, l'influence du Fe(II) et Fe(III) sur la formation de biofilms mono-espèces à Lp a été étudiée en se basant sur un modèle existant. L'analyse des biofilms formés en présence de Fe(II) et/ou Fe(III) a été effectuée par numération des Unités Formant Colonie (UFC) et par quantification des Unités Génomes (UG ; qPCR). Les modifications majeures observées, notamment en termes de pertes de viabilité/cultivabilité, ont été confirmées par observation en microscopie confocale à balayage laser (MCBL). Cette étude a montré que la présence du Fe(III) avait un impact négatif sur la viabilité et la cultivabilité des bactéries adhérées contribuant à leur mort ou à leur transition vers la phase viable-non cultivable (VBNC). Le capteur électrochimique a ensuite été testé en milieu réel en effectuant des détections dans une eau provenant d'une TAR prototype. La justesse du capteur a été démontrée lors de la détermination des concentrations en Fe(II) et Fe(III). Enfin, un premier lien a pu être établi entre la présence du fer et le statut de Lp dans les eaux de TAR.
Origine : Version validée par le jury (STAR)