L'efficacité du chlore

Sep 09, 2023

npj Clean Water volume 4, Numéro d'article : 48 (2021) Citer cet article

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Les solutions chlorées sont largement utilisées pour la production d'eau potable biologiquement sûre. La capacité des systèmes de traitement de l'eau potable au point d'utilisation [POU] a suscité un intérêt dans les endroits où les systèmes de traitement centralisés et les réseaux de distribution ne sont pas pratiques. Cette étude a examiné l'activité antimicrobienne et anti-biofilm de trois désinfectants à base de chlore (ions hypochlorite [OCl-], acide hypochloreux [HOCl] et solutions activées électrochimiquement [ECAS]) pour une utilisation dans les applications d'eau potable POU. L'activité antimicrobienne relative a été comparée dans des essais de suspension bactéricide (BS EN 1040 et BS EN 1276) en utilisant Escherichia coli. L'activité anti-biofilm a été comparée en utilisant des Pseudomonas aeruginosa sessiles établis dans un réacteur à biofilm du Center for Disease Control [CDC]. HOCl a présenté la plus grande activité antimicrobienne contre E. coli planctonique à > 50 mg L-1 de chlore libre, en présence d'une charge organique (albumen sérique bovin). Cependant, ECAS a montré une activité anti-biofilm significativement plus élevée que OCl- et HOCl contre les biofilms de P. aeruginosa à ≥ 50 mg L-1 de chlore libre. Sur la base de ces preuves, les désinfectants où HOCl est l'espèce de chlore dominante (HOCl et ECAS) seraient des désinfectants à base de chlore alternatifs appropriés pour les applications d'eau potable POU.

L'une des principales sources de maladies humaines est la consommation d'eau biologiquement contaminée1. Cela est particulièrement pertinent pour les pays à faible revenu (c'est-à-dire que le revenu national brut [RNB] par habitant est inférieur à 1 025 dollars) et les pays les moins avancés (46 pays à faible revenu confrontés à de graves obstacles structurels au développement durable) où, selon les estimations, 30 % de la population, en moyenne, ont accès aux services d'assainissement de base2. Cela contraste avec les pays à revenu moyen supérieur (RNB par habitant de 4 036 $ à 12 475 $) et à revenu élevé (RNB par habitant > 12 476 $) qui utilisent principalement des systèmes centralisés de traitement de l'eau potable pour assurer la production et l'approvisionnement en eau biologiquement sûre3. Le rôle principal de la désinfection de l'eau potable est de contrôler les micro-organismes pathogènes et de s'assurer que l'eau traitée est biologiquement potable. Le chlore, sous forme d'hypochlorite de sodium [NaOCl], est le désinfectant le plus courant en raison de son faible coût et de ses propriétés antimicrobiennes efficaces4. La présence de chlore résiduel (0,5–5 mg L−1) dans les réseaux de redistribution limite la re-croissance microbienne, aidant à maintenir une eau biologiquement sûre au point de livraison3. Les organismes indicateurs tels que Escherichia coli, les coliformes totaux, les entérocoques et Clostridium perfingens3,5, qui infèrent la présence de matières fécales, sont surveillés pour assurer l'efficacité des processus de traitement de désinfection. La limite recommandée pour ces organismes indicateurs dans l'eau traitée est de zéro UFC 100 mL−1, en raison de leur nature potentiellement pathogène3,5. Malheureusement, l'utilisation de désinfectants chlorés entraîne la formation de sous-produits de désinfection [SPD]6,7 tels que les trihalométhanes8 et les acides haloacétiques9. Ces sous-produits sont connus pour présenter des propriétés mutagènes et cancérigènes10 et sont donc hautement indésirables.

Point-of-use [POU] drinking water treatment systems do not require distribution networks and therefore negate the need to maintain residual chlorine levels. The World Health Organization recommends free chlorine concentrations of between 0.2 and 0.5 mg L−1 at point of delivery and use3. The use of conventional chlorine-based disinfectants, such as hypochlorite (OCl-), within POU water disinfection requires the storage and transportation of hazardous chemicals and can also cause the formation of harmful DBPs and the deterioration of taste and odour11. Ultraviolet and ozone are well established as disinfection technologies within both decentralised/POU12,13 and large scale drinking water treatment14,3.3.CO;2-1." href="/articles/s41545-021-00139-w#ref-CR15" id="ref-link-section-d7975502e520"> 15, mais un avantage supplémentaire de la mise en œuvre de solutions activées électrochimiquement [ECAS] est qu'il a la capacité d'être utilisé à l'extérieur des systèmes de traitement de l'eau dans le cadre de la production alimentaire16,17 ou dans les établissements de santé18,19. Un nombre limité d'études ont comparé l'ECAS aux agents chlorés couramment utilisés pour les applications de désinfection décentralisées20,21. Bien que ces études préliminaires aient été prometteuses, aucune étude n'a rapporté le pH des ECAS étudiés ou leur efficacité contre les biofilms.

Les technologies de désinfection électrochimique émergent dans le secteur de l'eau8,22 et sont actuellement bien établies dans le secteur alimentaire16,17 et, dans une moindre mesure, dans les établissements cliniques/de soins de santé18,19. La génération d'ECAS a déjà été décrite en détail19 et est générée en faisant passer une solution saline à travers une cellule électrochimique avec des compartiments anodique et cathodique séparés. Les solutions anodiques sont hautement oxydantes avec des valeurs de potentiel d'oxydo-réduction [ORP] supérieures à +1000 mV23,24. A ces valeurs ORP, les solutions anodiques sont de nature acide (pH compris entre 2 et 5) du fait d'espèces antimicrobiennes transitoires oxydatives (métastables) qui se forment à la surface de l'anode. À pH acide, les principales espèces chimiques antimicrobiennes sont dominées par l'acide hypochloreux [HOCl] (>95 %) et le chlore dissous [Cl2] (<5 %)25,26. Espèces antimicrobiennes métastables supplémentaires, y compris ; OH-, O3, H2O2 et O2- sont également théorisés pour être générés bien que leur durée de vie et leur activité dans les solutions actives soient débattues27,28. Les propriétés antimicrobiennes de l'ECAS résultent d'une combinaison de HOCl et des espèces métastables qui donnent lieu aux valeurs ORP élevées observées. Le mode d'action de ces solutions est alors la rupture physique des membranes cellulaires internes et externes19,29, entraînant une perturbation et une défaillance des fonctionnalités microbiennes, telles que les mécanismes de génération d'énergie23.

Plutôt que d'exister à l'état planctonique, il est maintenant entendu que la plupart des micro-organismes se fixent sur des surfaces ou des substrats et établissent des communautés sessiles appelées biofilms30,31. Les biofilms naturels contiennent des micro-organismes multi-espèces, notamment des bactéries, des algues, des champignons et des protozoaires, enfermés dans une substance polymère extracellulaire [EPS]32,33 en tant qu'adaptation pour se protéger contre les stress externes, tels que les désinfectants, y compris le chlore. La présence de biofilms dans les systèmes de traitement de l'eau potable est considérée comme un sujet de préoccupation pour le maintien de la qualité de l'eau34,35. La formation de biofilm sur les infrastructures, telles que les tuyaux et les filtres, entraîne un encrassement biologique qui peut réduire le temps de fonctionnement et entraîner la corrosion des matériaux36,37. En particulier, les biofilms sont connus pour agir comme des réservoirs d'agents pathogènes38, par l'excrétion de cellules filles dans l'approvisionnement en eau en vrac. Les agents pathogènes d'origine hydrique sont souvent dérivés d'une contamination fécale (par exemple, E. coli O157:H7) et peuvent entraîner des maladies gastro-intestinales [GI] potentiellement mortelles lorsqu'ils ne sont pas traités. ou infections et maladies gastro-intestinales38. La sensibilité décroissante des bactéries dans les biofilms aux antimicrobiens est de plus en plus préoccupante. Des preuves ont révélé que les espèces chlorées réactives, par exemple OCl−, sont incapables de pénétrer suffisamment dans la matrice polymère extracellulaire des biofilms pour exercer une action biocide efficace39,40.

L'objectif principal de cette étude était d'étudier l'activité antimicrobienne et l'inhibition du biofilm d'OCl-, HOCl et ECAS pour une utilisation dans les systèmes d'eau potable POU. Les activités bactéricides de l'OCl-, du HOCl et de l'ECAS ont été comparées à l'aide d'essais de désinfection chimique standard utilisant Escherichia coli comme organisme pathogène modèle, dans le contexte de la réduction de la charge microbienne dans l'eau en vrac. En outre, cette étude a également étudié l'efficacité de l'OCl-, du HOCl et de l'ECAS pour réduire la densité des biofilms établis de Pseudomonas aeruginosa.

L'activité antimicrobienne des trois désinfectants testés contre E. coli ATCC 10536 a été évaluée à l'aide des méthodes bactéricides standard BS EN 1040 et 127641,42. Dans les deux méthodes, une réduction de 5 log de l'organisme cible est le seuil minimum requis pour définir le produit comme ayant une activité bactéricide, tel que défini par les paramètres expérimentaux, soit en présence (BS EN 1276) soit en absence (BS EN 1040) d'une charge organique. Cela nécessite un inoculum de départ plus important (8,54 ± 0,27 log10 UFC mL−1) que ce à quoi on pourrait s'attendre d'E.

La figure 1 montre l'activité antimicrobienne de l'OCl-, HOCl et ECAS contre E. coli sans charge organique (BS EN 1040) présente. À des concentrations de chlore libre (FC) ≥50 mg L−1, tous les désinfectants ont atteint la réduction logarithmique requise (5 log UFC mL−1) dans des conditions de test41. À une concentration de FC de 25 mg L-1, l'OCl- a présenté une activité antimicrobienne significativement réduite par rapport à l'ECAS et à l'HOCl (p < 0,0001). Pour l'OCl-, une réduction de 3,80 ± 1,246 log10 UFC mL−1 a été observée, ce qui est bien en deçà de la réduction de 5 log requise pour définir un produit comme ayant une activité bactéricide, telle que définie par les conditions du test effectué. À cette même concentration (25 mg L-1 FC), HOCl a entraîné une réduction logarithmique complète (7,366 ± 0,048 log10 UFC mL-1), tandis que l'ECAS a entraîné une réduction de 5,676 ± 0,807 log10 UFC mL-1. Le tableau 1 montre les valeurs CT pour une réduction de 5 log de E. coli pour NaOCl, HOCl et ECAS. Les valeurs CT sont le produit de la concentration d'un désinfectant (par ex. chlore actif libre) et du temps de contact avec l'eau à désinfecter. La valeur CT de HOCl (16,51 mg min L-1) était inférieure à celle d'ECAS (21,98 mg min L-1) et environ la moitié de celle de NaOCl (33,81 mg min L-1), en l'absence de solution inhibitrice. Ces valeurs de CT indiquent que l'ECAS et l'OCl- nécessitent des concentrations de FC ou un temps de contact plus importants pour une réduction logarithmique équivalente, par rapport à l'HOCl.

Efficacité antimicrobienne de NaOCl [noir], ECAS [gris] et HOCl [blanc] en utilisant des concentrations de chlore libre normalisées contre E. coli ATCC 10536, et évaluée à l'aide de la norme BS EN 1040 (41British Standards Institution, 2005a). La ligne pointillée représente la réduction logarithmique minimale (5 log UFC mL-1) requise pour démontrer l'activité bactéricide de base dans les conditions expérimentales de l'essai (n = 3 ± écart type [sd]). Différences significatives (valeurs de p) calculées par une ANOVA à deux facteurs avec le post-test de comparaison de Tukey, avec un intervalle de confiance de 95 % (****p < 0,0001 ; ***p < 0,001). ND = non détecté. Les barres d'erreur représentent l'écart type.

La figure 2 montre l'activité antimicrobienne des trois désinfectants en présence d'une charge organique interférente (propre) à faible concentration (0,3 g L-1 d'albumen sérique bovin [BSA]). La concentration de FC la plus élevée testée (150 mg L−1) a entraîné des réductions logarithmiques complètes pour NaOCl (7,30 ± 0,019 log10 UFC mL−1) et HOCl (7,30 ± 0,072 log10 UFC mL−1), tandis que l'ECAS a entraîné une réduction de 6,96 ± Réduction de 1,536 log10 UFC mL−1. Par conséquent, tous les désinfectants ont démontré une activité bactéricide en présence d'une charge organique selon les conditions du test (BS EN 1276). À 100 mg L−1 FC, tous les désinfectants présentaient un effet antimicrobien significatif (réduction > 5 log) et il n'y avait pas de différence significative entre les trois désinfectants, le HOCl entraînant une réduction logarithmique complète, pour l'OCl - une réduction logarithmique de 7,871 ± 0,74 log10 UFC mL−1 a été atteint tandis qu'ECAS a obtenu une réduction de 6,806 ± 1,09 log10 UFC mL−1. À 50 mg L−1 FC, OCl- n'a pas atteint la réduction requise de 5 log (4,531 ± 0,15 log10 UFC mL−1), ce qui a entraîné une activité antimicrobienne significativement plus faible par rapport à HOCl et ECAS (p < 0,0001), de sorte qu'il n'y avait pas de différence significative entre le traitement HOCl et ECAS (p > 0,05). À la plus faible concentration de FC testée (25 mg L−1), ECAS était le seul désinfectant à réduire la charge bactérienne ≥5 log10 UFC mL−1 (Fig. 2), entraînant une réduction de 6,077 ± 1,441 log10 UFC mL−1 log. Les réductions logarithmiques obtenues pour le traitement OCl- et HOCl étaient toutes deux significativement inférieures à celles de l'ECAS (p < 0,001), où HOCl entraînait une réduction logarithmique de 3,207 ± 0,505 log10 UFC mL−1, ce qui était significativement supérieur aux 1,945 ± 0,222 log10 UFC mL −1 réduction logarithmique présentée par OCl- (p = 0,0011). Les valeurs CT de réduction de 5 log pour OCl-, HOCl et ECAS avec une faible charge organique ont démontré que NaOCl présentait la valeur CT la plus élevée (88,96 mg min L-1), suivie par HOCl (34,78 mg min L-1) puis ECAS (20,94 mg min L-1).

Efficacité antimicrobienne de NaOCl [noir], ECAS [gris] et HOCl [blanc] en utilisant des concentrations de chlore libre normalisées contre E. coli ATCC 10536 avec une solution interférente de 0,3 g L-1 BSA (42British Standards Institution, 2009). La ligne pointillée représente la réduction logarithmique minimale (5 log UFC mL-1) requise pour démontrer l'activité bactéricide de base dans les conditions expérimentales de l'essai (n = 3 ± sd). Différences significatives (valeurs de p) calculées par une ANOVA à deux facteurs avec le post-test de comparaison de Tukey, avec un intervalle de confiance de 95 % (****p < 0,0001 ; ***p < 0,001 ; **p < 0,01) . ND = non détecté. Les barres d'erreur représentent l'écart type.

Lorsque la concentration de la substance interférente a été augmentée de 0,3 g L-1 (conditions de BSA propre) à 3,0 g L-1 (conditions de BSA sale) dans le cadre du test, il y a eu un impact significatif sur l'activité antimicrobienne présentée par les trois désinfectants (Fig. 3 et tableau 1). L'activité antimicrobienne de l'OCl− et de l'ECAS a été significativement réduite par rapport aux valeurs respectives dans des conditions propres (p < 0,0001) à toutes les concentrations de FC testées. HOCl présentait une activité antimicrobienne significativement supérieure à celle de l'OCl- et de l'ECAS à 50, 100 et 150 mg L-1 FC (p <0,01), l'ECAS présentant une activité antimicrobienne significativement supérieure à celle du NaOCl (p <0,05). Cela se reflète dans les valeurs CT (tableau 1), où la valeur CT de réduction de 5 log pour HOCl est de 82,91 mg min L-1, tandis que les valeurs CT n'ont pas pu être calculées pour NaOCl ou ECAS dans ces conditions expérimentales en raison d'une activité antimicrobienne insuffisante. à la fin du temps de contact de 5 minutes. À la plus faible concentration de FC testée (25 mg L−1), il n'y avait pas de différence significative d'activité antimicrobienne entre les trois désinfectants testés (p > 0,05). Cependant, l'ECAS a entraîné la plus grande réduction logarithmique (1,606 ± 0,954 log10 UFC mL-1), suivi par HOCl (0,978 ± 0,202 log10 UFC mL-1) et OCl- (0,025 ± 0,004 log10 UFC mL-1). La charge organique testée dans des conditions sales ne représente pas les concentrations attendues dans les systèmes d'eau potable POU. Cependant, les résultats soulignent la nécessité de réduire les matières organiques présentes pour assurer une activité antimicrobienne suffisante tout au long des étapes de désinfection du traitement de l'eau potable.

Efficacité antimicrobienne de NaOCl [noir], ECAS [gris] et HOCl [blanc] en utilisant des concentrations de chlore libre normalisées contre E. coli ATCC 10536 avec une solution interférente de 3,0 g L−1 BSA (42British Standards Institution, 2009). La ligne pointillée représente la réduction logarithmique minimale (5 log UFC mL-1) requise pour démontrer l'activité bactéricide de base dans les conditions expérimentales de l'essai (n = 3 ± sd). Différences significatives (valeurs de p) calculées par une ANOVA à deux facteurs avec le post-test de comparaison de Tukey, avec un intervalle de confiance de 95 % (****p < 0,0001 ; **p < 0,01 ; *p < 0,05). ND = non détecté. Les barres d'erreur représentent l'écart type.

L'activité antimicrobienne de l'OCl-, du HOCl et de l'ECAS a été déterminée par rapport aux biofilms établis de Pseudomonas aeruginosa sur des coupons de polycarbonate [PC] en fonction de la concentration de FC (Fig. 4). La densité moyenne de biofilm récupérée à partir de coupons de polycarbonate témoins non traités (sans traitement désinfectant) était de 8,45 ± 0,172 log10 CFU coupon−1 (n = 18). Aucun des désinfectants testés (OCl-, HOCl ou ECAS) n'a entraîné une réduction logarithmique complète à n'importe quelle concentration de FC testée. À une concentration de FC de 150 mg L−1, la plus grande réduction de la densité du biofilm a été provoquée par ECAS (3,852 ± 0,914 log10 CFU coupon−1), alors que OCl- et HOCl présentaient des réductions log significativement plus faibles (p < 0,0001) de 2,018 ± 0,393 log10 UFC coupon−1 et 2,005 ± 0,419 log10 UFC coupon−1, respectivement. ECAS a également présenté une activité antimicrobienne significativement plus élevée par rapport à OCl- et HOCl à 100, 75 et 50 mg L-1 FC (p < 0,01). Cela se reflète dans les valeurs CT pour une réduction de 2 log (99 %) de la densité du biofilm (voir tableau 1). La valeur CT pour ECAS était de 87,21 mg min L-1, tandis que les valeurs CT pour OCl- et HOCl n'ont pas pu être déterminées car une réduction de 2 log n'a été obtenue à aucune des concentrations de FC testées. Cependant, à des concentrations de FC de 25 et 5 mg L-1, il n'y avait pas de différence significative dans l'activité antimicrobienne présentée par NaOCl, HOCl et ECAS (p > 0,05). En fait, il n'y a pas eu de réduction significative de la densité du biofilm entre 0 (témoin) et 5 mg L-1 FC (p > 0,05) pour tous les désinfectants testés. Dans l'ensemble, les résultats démontrent une dose-réponse d'efficacité antimicrobienne croissante avec l'augmentation des concentrations de FC. Fait intéressant, pour ECAS, la plus forte augmentation de l'activité antimicrobienne (p = 0,009) s'est produite à ≥25 mg L-1 FC, tandis que les plus fortes augmentations pour HOCl et OCl- ont été observées entre 0 et 25 mg L-1 (p < 0,0001).

Activité antimicrobienne de NaOCl [△], HOCl [▢] et ECAS [○] en utilisant des concentrations de FC standardisées contre les biofilms de Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442 (n = 9 ± sd). [•••] Fait référence à la densité moyenne de biofilm récupérée (coupon UFC-1) à partir d'un traitement témoin (non traité) (0 mg L-1) ; n = 18. Différences significatives (valeurs de p) calculées par une ANOVA à deux facteurs avec le post-test de comparaison de Tukey, avec un intervalle de confiance de 95 % (****p < 0,0001 ; **p < 0,01). Les barres d'erreur représentent l'écart type.

Des études antérieures ont comparé l'activité antimicrobienne de désinfectants courants pour l'eau potable, notamment l'OCl-, le dioxyde de chlore, l'ozone et les chloramines dans le contexte de réseaux centralisés et de distribution44,45. Cette étude a directement comparé l'activité antimicrobienne des solutions OCl−, HOCl et ECAS contre les biofilms planctoniques et bactériens pour des applications potentielles d'eau potable POU.

Les données rapportées ici démontrent que tous les désinfectants ont présenté une activité antimicrobienne significative contre E. coli planctonique par rapport au témoin. En l'absence de substances inhibitrices (c'est-à-dire sans charge organique), tous les désinfectants présentent une dose-réponse antimicrobienne avec des concentrations croissantes de FC. À des concentrations de FC ≥ 50 mg L−1, il n'y avait pas de différence significative entre l'activité antimicrobienne de l'OCl−, de l'HOCl ou de l'ECAS. Alors qu'à 25 mg L-1 FC, HOCl a présenté la plus grande activité antimicrobienne, suivi par OCl- et ECAS. Les différences observées dans l'activité antimicrobienne peuvent s'expliquer par la chimie différente des désinfectants testés. Les trois désinfectants entraînent la production de FC, la chimie sous-jacente de la libération dépendant de la formulation chimique et des paramètres physicochimiques (notamment le pH), comme dicté par l'équation de Nernst19. Par exemple, les mécanismes antimicrobiens (et donc la cinétique) dans lesquels le FC est libéré diffèrent entre le NaOCl (hypochlorite de sodium) et le NaDCC (dichloroisocyanurate de sodium). La dissolution de NaOCl (pH 11,4) entraîne principalement la formation d'OCl-, tandis que la dissolution de NaDCC (pH 5,6) entraîne principalement la formation de HOCl25,46. Pour l'ECAS (pH 3,3), la dissolution se traduit par un mélange d'espèces chlorées ; y compris HOCl et Cl2 dissous, HOCl étant l'espèce dominante. Des espèces antimicrobiennes métastables supplémentaires sont également théorisées pour être formées28, entraînant par conséquent l'ECAS ayant l'ORP le plus élevé des trois désinfectants testés (+1134 mV). Les désinfectants à base de chlore où OCl- est l'espèce de chlore dominante se sont révélés moins efficaces, en raison d'une diffusion inefficace à travers la bicouche lipidique des membranes cellulaires, par conséquent l'oxydation ne se produit qu'au niveau de l'enveloppe cellulaire externe47. En revanche, HOCl est capable de pénétrer à travers l'enveloppe externe et de diffuser à travers la membrane plasmique interne grâce à sa neutralité électrique47. Cela entraîne des dommages oxydatifs internes aux fonctions cellulaires clés, telles que la génération d'énergie, ainsi que des dommages à l'ADN bactérien23,29.

L'impact négatif de la charge organique sur les désinfectants oxydants est bien connu47,48. Dans cette étude, la présence de matières organiques à faible concentration révèle des différences dans les doses-réponses qui découlent des différents mécanismes d'action présentés par OCl-, HOCl et ECAS. La demi-vie (DT50) des ions OCl- est fortement réduite de plusieurs ordres de grandeur, de quelques minutes à quelques secondes49, ce qui explique la réduction de l'efficacité observée pour le NaOCl même dans des conditions de BSA propre (Figs. 2, 3). Pour HOCl, l'activité antimicrobienne a été significativement réduite à 25 mg L-1 FC dans des conditions de BSA propre, mais pas à des concentrations> 25 mg L-1 (c'est-à-dire 50, 100, 150 mg L-1). Fait intéressant, il n'y avait pas de différence significative dans l'activité antimicrobienne présentée par ECAS à une concentration de FC de 25 mg L-1 en présence ou en l'absence d'une faible charge organique (conditions BSA propres). Cela montre que de faibles concentrations de matière organique n'interfèrent pas outre mesure avec le mécanisme d'action de l'ECAS dans ces conditions expérimentales. ECAS présente une valeur ORP très élevée (> + 1100 mV), due à la fois aux espèces réactives de chlore et d'oxygène, qui à leur tour entraînent des réactions d'oxydation rapides. Cependant, la présence de concentrations plus élevées de matière organique réduira finalement l'ORP par des réactions d'oxydoréduction50, contribuant à une réduction résultante de l'activité antimicrobienne de l'ECAS, comme cela a été observé précédemment50,51. Fait intéressant, les travaux antérieurs de Robinson et al. en 201352 ont démontré que l'activité antimicrobienne de l'ECAS pouvait être maintenue lorsqu'elle était stockée pendant une période de 398 jours à 4 °C dans l'obscurité, malgré l'absence de FC détectable après 277 jours (par exemple < 0,01 mg L−1). Cela démontre l'importance des espèces antimicrobiennes supplémentaires, autres que celles qui sont dérivées du chlore, contribuant à une activité antimicrobienne accrue. Ainsi, cela aide à expliquer la plus grande activité antimicrobienne d'ECAS à une FC de 25 mg L-1 en présence de conditions de BSA propres par rapport à des solutions équivalentes de HOCl et de NaOCl. L'augmentation supplémentaire de la charge organique de BSA (3,0 g L-1; conditions de BSA sales) dans le test bactéricide a considérablement réduit l'activité antimicrobienne de l'OCl- et de l'ECAS à toutes les concentrations de FC testées. En comparaison, l'activité antimicrobienne de HOCl n'a pas été significativement réduite à des concentrations de FC> 25 mg L-1. Par conséquent, il est clair que le HOCl produit via la dissolution de NaDCC démontre une plus grande activité antimicrobienne contre les bactéries planctoniques dans des conditions de BSA sales. Le HOCl dérivé chimiquement est plus stable que les solutions de HOCl générées électrochimiquement, car elles ne possèdent pas d'espèces antimicrobiennes métastables, qui se forment à la surface anodique53. Le HOCl dérivé chimiquement se dégrade également à un rythme plus lent lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil (UV)54, par rapport au HOCl généré électrochimiquement qui se dégrade à un rythme plus rapide55. Cela souligne l'importance de sélectionner le désinfectant le plus approprié pour une utilisation dans les systèmes de traitement POU. Par exemple, dans les cas où la filtration ou l'élimination des matières organiques de l'eau en vrac n'est pas une pratique courante ou est difficile, HOCl fournirait une plus grande efficacité antimicrobienne, par rapport à NaOCl ou ECAS.

La réduction de la charge microbienne dans les eaux en vrac réduira également la formation de biofilms sur les infrastructures, ainsi que potentiellement la densité des biofilms établis. Ainsi, l'activité antimicrobienne comparative de l'OCl-, du HOCl et de l'ECAS a également été déterminée par rapport aux biofilms établis de Pseudomonas aeruginosa sur des coupons en polycarbonate. Des réductions équivalentes de la densité du biofilm (et des valeurs CT) ont été observées pour OCl- et HOCl à toutes les concentrations de FC testées. ECAS a été le désinfectant le plus efficace testé, présentant une valeur CT de 87,21 mg min L-1, en comparaison, les valeurs CT n'ont pas pu être calculées pour OCl- et HOCl car une réduction de 2 log n'a été obtenue pour aucune des concentrations de FC testées. Il a été démontré que les désinfectants antimicrobiens contenant des espèces halogénées telles que le chlore ont une efficacité réduite sur la réduction de la densité cellulaire du biofilm, en raison des interactions de réaction-diffusion et d'adsorption avec les substances de la matrice EPS39,56. La forte réactivité de l'OCl- contribue à son inefficacité contre les biofilms microbiens, car il se neutralise rapidement par réaction avec la matrice EPS, réduisant sa pénétration et donc sa diffusion vers les cellules bactériennes au sein des biofilms40. Par conséquent, la concentration d'espèces halogénées disponibles pour réagir avec les micro-organismes cibles est réduite, augmentant ainsi les valeurs de CT40,57. Stewart & Rayner et al. (2001)40 ont estimé que l'OCl- était 767 fois plus lente à réduire un biofilm de P. aeruginosa de 9,9 log10 UFC cm-2 par rapport à un état planctonique équivalent.

Les désinfectants testés contre les biofilms dans cette étude démontrent une dose-réponse antimicrobienne avec des concentrations croissantes de FC. Les courbes dose-réponse pour OCl- et HOCl ne différaient pas de manière significative, tandis que l'ECAS a démontré une activité anti-biofilm significativement supérieure à des concentrations de FC ≥ 50 mg L-1 par rapport à NaOCl et HOCl (p ≤ 0, 0021). En revanche, contre les cellules planctoniques, HOCl a démontré la plus grande activité antimicrobienne à des concentrations de FC ≥ 50 mg L-1 (Figs. 1–3). Cette activité antimicrobienne réduite observée de l'OCl− et de l'HOCl contre les biofilms est en accord avec des études antérieures, selon lesquelles les valeurs CT et les facteurs de tolérance sont 10 ou 100 fois plus élevés entre la désinfection planctonique et la désinfection des biofilms40,47. OCl- et HOCl sont neutralisés par réaction avec le biofilm EPS, en raison de leur haute réactivité40. À l'inverse, il a été observé qu'ECAS avait une activité anti-biofilm significative51,58. Les propriétés anti-biofilm de l'eau électrolysée acide [EW] ont été déterminées par Ayebah et al.51 contre les biofilms de Listeria monocytogenes, entraînant une réduction de 4,5 log10 après des temps de contact de 30 et 60 s. Le mode d'action antimicrobien postulé pour ECAS contre les biofilms microbiens est double. L'ORP élevé (par rapport à HOCl et OCl-), indiquant sa capacité d'oxydation accrue et ses espèces antimicrobiennes métastables4,28 perturbe la barrière protectrice EPS, qui est composée d'un mélange complexe de polysaccharides, de protéines et d'ADN59, par la destruction des liaisons covalentes dans l'ADN, l'ARN et les protéines60,61. De plus, les espèces de chlore actif dans l'ECAS, principalement HOCl, n'ont pas de charge et peuvent donc pénétrer à travers l'EPS et réagir avec les cellules bactériennes intégrées47.

Dans l'ensemble, cette étude a examiné l'activité antimicrobienne et anti-biofilm quantitative de trois désinfectants à base de chlore contre les bactéries planctoniques et sessiles (biofilm) d'une seule espèce pour des applications potentielles d'eau potable POU. Sur la base de ces données, OCl- s'est avéré le moins efficace contre les populations bactériennes planctoniques et sessiles, HOCl s'est avéré le plus efficace pour réduire (désinfecter) les populations bactériennes planctoniques et ECAS était le plus efficace pour réduire la densité des bactéries établies. biofilms. Il convient de noter que les comparaisons directes entre l'efficacité de l'OCl-, du HOCl et de l'ECAS entre la désinfection des populations planctoniques d'E. coli et la réduction de la densité du biofilm de P. aeruginosa doivent être effectuées avec prudence. La désinfection de P. aeruginosa planctonique n'a pas été effectuée car elle n'est pas incluse dans l'analyse standard de l'eau potable, en raison de l'opinion selon laquelle il s'agit d'un agent pathogène opportuniste. À l'inverse, l'étude de la réduction de la densité du biofilm d'E. coli n'a pas eu lieu car il n'est pas bien connu pour former des biofilms, contrairement à P. aeruginosa. Il a déjà été démontré que l'interaction du HOCl et de l'ECAS avec la matière organique (par exemple, les acides humiques) n'entraîne pas la production de fortes concentrations de sous-produits de désinfection, en particulier les trihalométhanes, contrairement à l'OCl- 8. Par conséquent, dans les systèmes POU où l'élimination des la matière par filtration ou coagulation n'est pas une pratique courante ou possible, la mise en œuvre de HOCl ou d'ECAS réduira non seulement efficacement la charge microbienne dans les eaux d'approvisionnement et aidera à gérer la formation de biofilm, mais minimisera également la formation de THM assurant la production de substances biologiques et chimiques. eau potable salubre. Cependant, HOCl peut être produit chimiquement par la dissolution de NaDCC (comme le montre cette étude), mais peut également être généré électrochimiquement62. La capacité de produire des désinfectants efficaces in situ et à la demande minimise le besoin de transporter et de stocker des produits chimiques dangereux, réduisant ainsi le risque de rejet accidentel de produits chimiques dans l'environnement. La nature métastable du HOCl généré électrochimiquement (acide ou légèrement acide) peut garantir que les solutions en excès peuvent facilement être désactivées par l'exposition de matières organiques, car elles se détendent chimiquement et reviennent à la solution saline d'origine19. Le HOCl généré électrochimiquement s'est avéré efficace dans un grand nombre de contextes, y compris la production alimentaire16,22 et les établissements de soins de santé19, permettant à un désinfectant d'être utilisé en toute sécurité dans toute une communauté, et pas seulement pour les applications de traitement de l'eau potable POU, ce qui n'est pas possible avec d'autres désinfections. technologies telles que les UV, l'ozone et le charbon actif en grains. Le HOCl généré électrochimiquement pourrait fournir une activité antimicrobienne supérieure parallèlement à une activité anti-biofilm accrue (une considération importante dans l'infrastructure de traitement de l'eau potable POU), cependant, son utilisation dans les applications POU nécessite une enquête plus approfondie. Une limite de cette étude est que les concentrations résiduelles de chlore libre n'ont pas été surveillées après les essais bactéricides ou de réduction du biofilm. Pour s'assurer que les concentrations libres dans les systèmes de traitement de l'eau potable POU ne dépassent pas les concentrations requises par l'OMS (0,2 à 0,5 mg L-1), les études futures surveilleront la concentration résiduelle de chlore après les essais bactéricides ou de réduction du biofilm.

Cette étude a contribué à faire progresser notre compréhension des désinfectants à base de chlore pour les applications d'eau potable POU. Cependant, les eaux de source alimentant les systèmes POU sont beaucoup plus complexes que celles testées ici, avec une variété de matières organiques et de nombreuses espèces microbiennes présentes, d'autant plus que les bactéries existent rarement dans les communautés monospécifiques dans l'environnement63. Par conséquent, l'étude de cultures/biofilms multi-espèces, au sein de matrices plus complexes dans le cadre de systèmes modèles représentatifs, est nécessaire pour approfondir notre compréhension de l'activité antimicrobienne et de l'adéquation des désinfectants testés pour des applications dans le traitement de l'eau potable POU. Ces modèles doivent tester différentes surfaces de matériaux qui représentent la variété des systèmes de traitement de l'eau potable POU (par exemple, canalisations ou filtres) qui pourraient affecter la formation de biofilm.

Trois désinfectants ont été utilisés tout au long de cette étude : NaOCl, HOCl neutre légèrement acide et HOCl acide généré électrochimiquement. L'espèce de chlore dominante présente dans NaOCl était OCl-, alors que HOCl était dominante dans les solutions neutres et acides de HOCl. Le HOCl acide généré électrochimiquement sera appelé solution activée électrochimiquement [ECAS]. Des solutions mères de NaOCl ont été préparées en diluant un agent de blanchiment commercial (agent de blanchiment Patterson ; Patterson Ltd., Bristol, Royaume-Uni) dans de l'eau déminéralisée jusqu'à une concentration finale de chlore libre [FC] de 508 ± 18,19 mg L−1, avec un pH moyen de 11,4. ± 0,1, et un ORP moyen de +588 ± 0,95 mV. Une solution mère de HOCl légèrement acide a été préparée par dissolution de NaDCC dans 1 litre d'eau déminéralisée produisant une concentration de FC de 201 ± 13,55 mg L-1, avec un pH de 5,6 ± 0,25 et un ORP moyen de +958 ± 18,98 mV. L'ECAS a été généré par l'électrolyse d'une solution de NaCl à l'aide d'un générateur électrochimique de 60 L/h fourni par Bridge Biotechnology Ltd (Fife, Écosse, Royaume-Uni). Des solutions d'ECAS avec des concentrations de FC de 158,63 ± 18,66 mg L−1, un pH moyen de 3,3 ± 0,16 et un ORP de +1134 ± 3,26 mV ont été générées et stockées à 4 °C dans l'obscurité, et utilisées dans les 5 jours suivant la production. Toutes les solutions désinfectantes ont été diluées à l'aide d'eau déminéralisée pour produire des concentrations FC équivalentes standardisées telles que déterminées par le sulfate de N,N-diéthyl-p-phénylènediamine (DPD) no. 1 Test Palintest (Palintest Ltd., Gateshead, Royaume-Uni). Le pH et l'ORP des solutions ont été mesurés à l'aide d'un Orion Dual Star (Fisher Scientific, UK).

E. coli ATCC 10536 et P. aeruginosa ATCC 15422 ont été cultivés sur Tryptone Soya Agar (TSA [Oxoid, Thermo Scientific, UK]) pendant 24 h à 37 ° C récupérés à partir de stocks congelés stockés à -80 ° C.

Des essais de suspension standard pour déterminer l'activité bactéricide de NaOCl, HOCl et ECAS contre E. coli ont été effectués conformément aux normes BS EN 1040 (41British Standards Institution, 2005) et BS EN 1276 (42British Standards Institution, 2009). Des concentrations de FC standardisées de 25, 50, 100 et 150 mg L−1 ont été utilisées comme schémas thérapeutiques pour chacun des désinfectants testés (voir la section 4.1).

Conformément aux tests standard BS EN 1040/1276, les suspensions bactériennes d'E. coli dans la solution de diluant (1 g L−1 tryptone et 8,5 g L−1 NaCl) ont été standardisées par densité optique (OD620nm) à 8,54 ± 0,27 log10 UFC mL− 1. Si nécessaire, des solutions inhibitrices de (BSA) à deux concentrations ont été préparées en dissolvant 0,3 g 100 mL-1 (propre) et 3,0 g 100 mL-1 (sale) BSA, puis filtrées stérilisées à travers des filtres à seringue de 0,45 µm (Sartorius Minisart® Syringe filtres). Cela a abouti à des concentrations finales de BSA de 0,3 g L-1 (propre) et de 3,0 g L-1 (sale).

Le test a été effectué en mélangeant 1 ml de suspension de test E. coli, avec 1 ml de solution inhibitrice (DI stérile, BSA propre ou sale) et 8 ml de désinfectant de test (NaOCl, HOCl ou ECAS), pendant le temps de contact spécifié de 5 min à 20 °C. Par la suite, un échantillon de 1 ml du flacon de réaction (comprenant la suspension test, la solution inhibitrice et le désinfectant test) a été immédiatement pipeté dans 9 ml d'une solution neutralisante validée (5 g L-1 de thiosulfate de sodium et 27,5 g L-1 de bouillon Letheen ; BD Difco, Becton Dickinson). Les échantillons neutralisés ont été dilués en série dans du DI stérile et étalés en double sur TSA (volume de 50 µL) à l'aide d'un Whitley Automated Spiral Plater ([WASP] Don Whitley Scientific, Shipley, Royaume-Uni). Celles-ci ont ensuite été incubées à 37 ° C pendant 24 h et les colonies résultantes ont été comptées (exprimées en UFC par mL).

Le réacteur à biofilm du Center for Disease Control [CDC] (voir Fig. 5);64 a été utilisé pour la culture et le test de biofilms de P. aeruginosa sur des coupons PC (BioSurfaces Technologies, États-Unis). Des concentrations de FC standardisées de 5, 25, 50, 75, 100 et 150 mg L-1 ont été utilisées comme schémas thérapeutiques pour chacun des désinfectants testés (voir la section 2.1).

Montage expérimental standard du réacteur à biofilm CDC. Le milieu d'entrée stérile (c'est-à-dire le bouillon tryptone soja) est contenu dans une bonbonne Nalgene™ de 20 L [1] et aspiré par une pompe péristaltique à canal unique [2] vers le réacteur à biofilm CDC [3]. Une plaque d'agitation chauffante [4] a maintenu une température et une force de cisaillement constantes dans le réacteur CDC. Une bonbonne de déchets Nalgene™ stérile collecte les déchets du réacteur à biofilm CDC [5].

L'inoculum de P. aeruginosa a été cultivé dans 100 ml de bouillon de tryptone soja à 100 mg L-1 (TSB [CM0129; Oxoid, Thermo Scientific, UK]) dans un incubateur à agitation pendant 24 h à 35 ° C à 150 tr / min, ce qui a donné un densité microbienne finale de 7,79 ± 0,17 log10 UFC mL−1 (n = 9). Du milieu stérile (330 ml de TSB 100 mg L-1) a été ajouté dans un réacteur CDC stérile contenant des tiges de coupon, qui abritait 3 coupons PC par tige (n = 8 tiges par réacteur). Le réacteur CDC a été placé sur une plaque d'agitation chauffée (réglée à 22,5 ° C et agitée en continu à 125 tr/min), 1 ml d'inoculum de P. aeruginosa a été ajouté et incubé pendant 24 h (la phase discontinue), permettant aux bactéries de se fixer et de s'établir. biofilms sur les coupons PC (contenus dans les tiges de retrait). Par la suite, un ajout continu de milieu stérile (100 mg L−1 TSB), tiré d'une tourie stérile autoclavable de 20 L (Nalgene™ 2250-0050; Fisher Scientific, Royaume-Uni), a été introduit dans le réacteur CDC à un débit de 11 mL min−1 pendant 24 h supplémentaires. Le volume à l'intérieur du réacteur CDC pendant cette période a été maintenu par un déversoir relié à une bonbonne de déchets. Cette méthode a abouti à des biofilms reproductibles de coupons PC de P. aeruginosa à une densité de 8,45 ± 0,172 log10 CFU coupon-1 (n = 18), et donc adaptés à une expérimentation ultérieure.

Pour permettre l'évaluation de l'activité antimicrobienne des désinfectants d'essai, des biofilms de coupons PC de P. aeruginosa ont été retirés de manière aseptique du réacteur CDC et placés dans des tubes Falcon de 50 ml, contenant 3 ml de désinfectant d'essai ou de DI stérile (contrôle). Après un temps de contact de 5 minutes à température ambiante, 27 ml de solution neutralisante validée (5 g L-1 de thiosulfate de sodium et 27,5 g L-1 de bouillon Letheen) ont été ajoutés à tous les échantillons et laissés encore 10 min à température ambiante. Par la suite, pour éliminer le biofilm de la surface des coupons PC, chaque tube falcon a été vortexé pendant 30 s, puis placé dans un bain d'eau à ultrasons (FB11078 FisherBrand) pendant 1 min, cela a été répété trois fois au total. Les cellules de biofilm désagrégées ont été diluées en série dans une solution de Ringer au quart (Oxoid, Fisher Scientific, Royaume-Uni) et étalées en spirale sur de la gélose R2A (Oxoid, Thermo Scientific, Royaume-Uni). Les plaques ont été incubées à 37 ° C pendant 24 h et les colonies résultantes ont été comptées et exprimées en UFC par coupon.

Les valeurs CT sont le produit de la concentration d'un désinfectant (par ex. chlore actif libre) et du temps de contact avec l'eau à désinfecter. Les valeurs CT ont été calculées pour la réduction de 5 log (99,999 %) d'E. coli planctonique et la réduction de 2 log (99 %) du biofilm de P. aeruginosa par régression linéaire, avec un temps de contact de 5 min à température ambiante (20 –22,5 °C), et ajustée pour être exprimée en mg/min L−1.

Pour les ensembles de données de dosage bactéricide et biofilm, une analyse de variance bidirectionnelle (ANOVA) avec le post-test de Tukey a été utilisée pour déterminer les différences significatives entre le type de désinfectant et la concentration de FC (GraphPad Prism version 7.0 pour Windows, San Diego, CA) . Une valeur de PA < 0,05 était considérée comme significative.

De plus amples informations sur la conception de la recherche sont disponibles dans le résumé des rapports de recherche sur la nature lié à cet article.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Cette étude a été financée par le Natural Environment Research Council, Royaume-Uni [NE/R003106/1], l'Université de l'ouest de l'Angleterre, Bristol et Portsmouth Aviation Ltd.

Centre de recherche en biosciences, Université de l'ouest de l'Angleterre, Bristol, BS16 1QY, Royaume-Uni

Gillian E. Clayton, Robin MS Thorn et Darren M. Reynolds

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GEC : développement de méthodes expérimentales, travaux expérimentaux, collecte et analyse de données, préparation et rédaction de manuscrits, révision et édition. RMST : acquisition de financement, conceptualisation et développement expérimental, supervision de projet et révision et édition de manuscrits. DMR : acquisition de financement, conceptualisation et développement expérimental, supervision de projet et révision et édition de manuscrits.

Correspondance à Darren M. Reynolds.

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l'absence de toute relation commerciale ou financière pouvant être interprétée comme un conflit d'intérêts potentiel.

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Réimpressions et autorisations

Clayton, GE, Thorn, RMS & Reynolds, DM L'efficacité des désinfectants à base de chlore contre les bactéries planctoniques et les biofilms pour l'eau potable décentralisée au point d'utilisation. npj Clean Water 4, 48 (2021). https://doi.org/10.1038/s41545-021-00139-w

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Reçu : 09 juillet 2021

Accepté : 08 octobre 2021

Publié: 04 novembre 2021

DOI : https://doi.org/10.1038/s41545-021-00139-w

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Nature Reviews Bioingénierie (2023)