L'ozone remodele fondamentalement l'écosystème microbien qui habite l'infrastructure de traitement de l'eau – des conduites de distribution aux milieux filtrants – avec des implications pour la stabilité du système, l'efficacité du traitement et la qualité de l'eau à long terme. Comprendre ces changements d'écologie microbienne n'est pas seulement une recherche académique; il est essentiel pour concevoir des trains de traitement robustes et durables qui peuvent résister à l'émergence d'organismes résistants et maintenir la stabilité biologique de la source au robinet.

Chimie et application de l'ozone dans le traitement de l'eau

L'ozone (O3) est un allotrope d'oxygène hautement réactif, généré sur place par le passage de l'air sec ou de l'oxygène par une décharge corona haute tension ou par une lumière ultraviolette. L'ozone, injecté dans l'eau, se décompose rapidement, générant une cascade d'espèces d'oxygène réactif, notamment de radicaux hydroxyles (·OH). Ces radicaux sont parmi les oxydants les plus puissants connus, capables d'attaquer les parois cellulaires, les acides nucléiques et les enzymes des microorganismes, ainsi que d'oxyder la matière organique dissoute, le fer, le manganèse et les micropolluants tels que les produits pharmaceutiques et les pesticides.

Les paramètres opérationnels de l'ozonation — dose d'ozone, temps de contact, concentration résiduelle et chimie de l'eau (pH, alcalinité, température, teneur en matière organique naturelle) — influent tous sur l'efficacité immédiate de la désinfection et les impacts écologiques subséquents.Les doses typiques d'ozone pour la désinfection varient de 1 à 5 mg/L, avec des temps de contact de 5 à 20 minutes.

La communauté microbienne avant l'ozonation : qui vit là ?

Dans les eaux de surface, les bactéries communes comprennent ProteobacteriaActinobactéries[, Bacteroides[, Cyanobactéries[. Ces communautés varient selon les saisons, avec des apports nutritifs, la température et les changements de comportement de la lumière du soleil dans l'abondance et la composition. Les eaux souterraines tendent à soutenir une biomasse inférieure et des communautés moins diversifiées, souvent dominées par des bactéries chimolithoautotrophes adaptées aux conditions oligotrophes.

Avant l'ozonation, la communauté microbienne de l'apport d'eau brute de la station de traitement reflète déjà l'état écologique de la source. Cette communauté sera la base de référence à laquelle les impacts de l'ozonation sont mesurés. Il est important de noter que certains de ces organismes sont des souches inoffensives de l'environnement, tandis que d'autres comprennent des agents pathogènes tels que Giardia lamblia kystes, Cryptosporidium parvum[ oocystes, Escherichia coli[ O157:H7, Legionella pneumophila et virus entériques. L'ozone est l'un des rares désinfectants qui peuvent rapidement inactiver les deux Cryptosporidium[ et Giardia, qui sont notoirement résistants

Effets immédiats sur la viabilité et la diversité microbiennes

Choc oxydatif et lysie cellulaire

Pour les bactéries végétatives, le taux de destruction est extraordinairement rapide, ce qui permet généralement d'obtenir des réductions de 2 à 6 log en quelques secondes à quelques minutes aux doses appropriées. Les virus sont également rapidement inactivés parce que l'ozone endommage leurs capsides protéiques et leurs ARN/ADN. Les bactéries qui forment des spores (p. ex. Bacille[ spp.) et les conidies fongiques nécessitent des doses plus élevées, mais sont encore sensibles.

Cette OIM comprend des nucléotides, des acides aminés, des glucides et des lipides, qui deviennent une impulsion de carbone organique assimilable (COA). Ce phénomène, appelé « libération de lyse cellulaire », peut paradoxalement alimenter la croissance des microorganismes survivants dans les processus en aval, une conséquence écologique clé souvent négligée dans la surveillance systématique de la désinfection.

Réduction de la diversité microbienne

L'ozonation ne stérilise pas l'eau, mais elle réduit considérablement la biomasse et la richesse des espèces. La communauté survivante est généralement un sous-ensemble de l'original, composé d'organismes qui possèdent des mécanismes de résistance intrinsèque (p. ex. enveloppes cellulaires robustes, réparation efficace de l'ADN, activité élevée enzymatique antioxydante) ou occupent des niches physiques (p. ex. agrégats, intérieurs de biofilms) qui les protégeaient de l'exposition à l'ozone total.

Par exemple, des recherches sur des stations de traitement de l'eau potable à grande échelle montrent que Gammaproteobactéria[ [y compris Pseudomonas[ spp.) et certains Les furmicites[ deviennent souvent plus abondants après l'ozonation, tandis que Alphaproteobactéria[ et Actinobactéries[ peuvent diminuer de façon disproportionnée.Cette pression sélective n'est pas aléatoire, elle reflète des différences fondamentales dans la résistance cellulaire au stress oxydatif.

Pression sélective et augmentation des microbes résistants à l'ozone

Mécanismes de résistance

Les microorganismes ont développé de multiples stratégies pour résister au stress oxydatif. Dans le contexte de l'ozonation, certains des plus importants sont les suivants :

  • Systèmes antioxydants améliorés: Augmentation des niveaux de superoxyde dismutase, de catalase et de peroxydases qui neutralisent les espèces réactives d'oxygène.
  • DNA voies de réparation:[ Induction de la réponse SOS, réparation de l'excision de base et voies de recombinaison pour fixer les dommages à l'ADN oxydatif.
  • Modifications de membrane :[ Saturation accrue des acides gras ou production de substances polymériques extracellulaires (SEP) qui récupèrent l'ozone avant qu'il ne atteigne la cellule.
  • Formation de spores ou de kystes: Structures de dormant avec de multiples couches protectrices qui sont intrinsèquement résistantes à l'oxydation.
  • Phénotype de biofilm:[ Les cellules intégrées dans les matrices EPS bénéficient de limitations de diffusion et de désintoxication coopérative par les cellules voisines.

La présence de ces mécanismes de résistance signifie qu'une petite fraction de la communauté survit à l'ozonation. Si cette fraction comprend des espèces pathogènes – ou si les gènes de résistance sont transférés horizontalement à des souches auparavant sensibles – le risque pour la santé publique augmente. Notamment, des recherches ont montré que certains pathogènes opportunistes comme Pseudomonas aeruginosa et Mycobacterium avium[ peuvent présenter une plus grande tolérance à l'ozone par rapport à E. coli ou Salmonella[, soulevant des questions sur leur potentiel de régénération dans les systèmes de distribution après ozonation.

Preuves tirées des systèmes à grande échelle

Une étude réalisée par Zhang et al. (2019)[ a examiné la dynamique de la communauté microbienne dans un train comprenant la préozonation, la coagulation, la sédimentation et la biofiltration. Ils ont observé que, bien que les nombres totaux de copies de gènes de l'ARNr 16S aient diminué de trois ordres de grandeur après l'ozonation, l'abondance relative de Pseudomonas[ et Sténotrophomonas[ a augmenté de moins de 1 % à plus de 30 % dans l'effluent ozoné. De plus, le potentiel de régénération dans le biofiltre subséquent était significativement plus élevé que dans un train parallèle sans ozonation, ce qui indique que la communauté survivante était mieux adaptée pour exploiter le CAO libéré des cellules lysées.

Une autre étude menée par Huang et al. (2020) a permis de suivre la dynamique des gènes de résistance aux antibiotiques (ARG) dans un système de biofiltration de l'ozone. Ils ont constaté que l'ozonation réduisait l'abondance absolue de la plupart des ARG, mais que l'abondance relative de certains ARG (en particulier ceux qui codifient les pompes à efflux multidrogue) augmentait dans la biomasse post-ozone.

Perturbation des biofilms : changements écologie de surface

Les biofilms sont des communautés structurées de microorganismes attachés aux surfaces – tubes, filtres, parois des réservoirs – intégrées dans une matrice autoproduite de SEP. Dans les systèmes de traitement de l'eau, les biofilms jouent un double rôle : ils contribuent à l'élimination biologique des nutriments et des matières organiques (bienfaisant dans les biofiltres), mais ils peuvent aussi contenir des agents pathogènes et contribuer à la corrosion des tuyaux et à la demande de chlore (détrimental dans les systèmes de distribution).

L'ozone, lorsqu'il est appliqué à l'eau, peut pénétrer et perturber les biofilms dans une mesure limitée. L'espèce oxydante dégrade les composants de l'EPS (polysaccharides, protéines, acides nucléiques), affaiblit la matrice du biofilm et libère les cellules dans l'eau en vrac. Cela peut temporairement réduire l'épaisseur du biofilm et le nombre de cellules viables.

De plus, la perturbation d'une communauté de biofilms peut créer des niches écologiques pour les nouveaux colonisateurs.Si l'ozonation est intermittente (p. ex., appliquée seulement à certaines périodes de la journée ou de la saison), le biofilm peut se rétablir rapidement, souvent dominé par des organismes tolérants à l'ozone à croissance rapide.

Impact sur la filtration biologique

De nombreuses usines de traitement utilisent des filtres biologiques (carbone actif granitique ou sable) après l'ozonation. L'objectif est d'éliminer la matière organique biodégradable (BOM) produite par l'ozone et de stabiliser l'eau biologiquement, réduisant ainsi le potentiel de repousse dans le système de distribution.

L'ozonation influence la communauté microbienne du biofiltre de deux façons : 1) elle inocule le filtre avec des bactéries qui survivent à l'ozone, qui peuvent avoir des capacités métaboliques différentes de celles qui auraient colonisé de l'eau brute; 2) elle modifie le type et la concentration des nutriments (plus haut CAO, composition différente des composés biodégradables). Des études ont révélé que les biofiltres alimentés en eau ozonée développent une plus grande abondance relative de Sphingomondales, Rhizobiales et Burkholderiales[, taxons connus pour leur capacité à dégrader une large gamme de composés organiques et leur résistance relativement élevée au stress oxydatif. Ces changements peuvent améliorer l'élimination de contaminants organiques spécifiques, mais peuvent aussi réduire la résilience du filtre aux changements soudains de la qualité de l'eau.

Incidences sur la qualité de l'eau et la santé publique

Amélioration de l'élimination des agents pathogènes

L'ozone est très efficace contre Cryptosporidium et Giardia[, parasites qui causent de graves maladies d'origine hydrique et qui résistent au chlore.Dans de nombreux pays, l'ozonation est obligatoire pour les approvisionnements en eau de surface qui font face à des risques de ces protozoaires. La réduction immédiate de la charge pathogène est bien documentée et sauve des vies.

Récroissance des pathogènes opportunistes

Cependant, les effets sélectifs décrits ci-dessus peuvent donner lieu à une recroissance post-ozone des pathogènes opportunistes, en particulier dans les parties de plomberie ou de faible débit du système de distribution. Par exemple, Legionella pneumophila peut survivre dans les amoébes et les biofilms, et certaines études suggèrent que l'ozonation peut augmenter l'abondance relative de Mycobacterium spp. dans l'eau distribuée si le résidu de désinfection est insuffisant. Un exemple notable de la littérature est une étude réalisée par Haack et al. (2017), qui a révélé que les systèmes d'eau potable utilisant de l'ozone et de la chloramine avaient des proportions plus élevées de Mycobacterium avium comparativement aux systèmes uniquement chlorés.

Émergence de résistance aux antibiotiques

Bien que l'ozone lui-même ne crée pas de gènes de résistance, le stress oxydatif qu'il impose peut co-sélectionner pour les souches transportant des pompes à efflux ou d'autres mécanismes qui confèrent également une résistance aux antibiotiques. De plus, la libération d'ADN des cellules lysées peut faciliter le transfert horizontal de gènes par transformation naturelle, et peut-être propager des gènes de résistance aux bactéries qui survivent à l'ozone.

Gestion des impacts de l'ozonation sur l'écologie microbienne

Optimisation de la dose d'ozone et du temps de contact

La réduction des conséquences écologiques négatives de l'ozonation commence par la conception du processus de traitement.L'ozone excessif peut augmenter la libération de CAO et la lyse cellulaire, favorisant une croissance excessive dans les filtres en aval et la distribution. Inversement, la sous-dosion peut laisser les agents pathogènes viables.L'optimisation de la dose pour atteindre l'inactivation cible (p. ex., 2 enlèvements de logarithmes de Cryptosporidium tout en minimisant la lyse des organismes bénéfiques) nécessite des recherches spécifiques au site et une surveillance en ligne du carbone organique résiduel et assimilable de l'ozone.

Mise en œuvre de la stabilité biologique après l'ozone

La stratégie la plus efficace pour prévenir la prolifération incontrôlée des microbes résistants à l'ozone consiste à combiner l'ozonation avec une solide étape de traitement biologique, la filtration biologique du charbon actif (BAC) est la norme aurifère. Le biofilm actif dans un filtre BAC bien entretenu consomme le COA produit par l'ozonation, réduisant l'énergie disponible pour la régénération dans le système de distribution.

Utilisation d'un désinfectant secondaire

Comme l'ozone ne persiste pas, un désinfectant secondaire (chlore, chloramine ou dioxyde de chlore) est nécessaire pour maintenir un résidu dans le système de distribution. Le choix du désinfectant secondaire peut moduler la composition de la communauté microbienne. La chloramine, par exemple, est plus stable que le chlore libre, mais moins biocide, permettant à certaines bactéries résistantes à l'ozone (comme certains Mycobactérium spp.) de survivre.

Surveillance de l'écologie microbienne

Les progrès de la microbiologie moléculaire, en particulier le séquençage de l'amplicon de l'ARNr 16S, la métagénomique et la PCR quantitative pour certains gènes pathogènes et résistances, sont de plus en plus appliqués dans les usines de traitement de l'eau pour obtenir des renseignements opérationnels.Une surveillance régulière de la communauté microbienne (eau en vrac et biofilm) avant et après l'ozonisation peut détecter des changements précoces vers une domination indésirable (p. ex., une augmentation du Mycobactérium ou des marqueurs ARG).

Orientations futures et besoins en matière de recherche

Malgré des décennies d'utilisation réussie, l'écologie microbienne des systèmes d'eau ozonés n'est pas entièrement comprise.

  • Succession communautaire à long terme:[ La plupart des études portent sur les effets à court terme (jours à semaines).Comment les communautés microbiennes des systèmes de distribution évoluent-elles au cours de mois ou d'années d'exposition répétée à l'ozone?
  • Interactions avec d'autres étapes de traitement :[ Les effets combinés de l'ozonation avec les UV, la filtration membranaire ou les processus d'oxydation avancés (p. ex. O3/H2O2) sur l'écologie microbienne commencent seulement à être explorés.
  • État de VBNC :[ L'ozone peut induire l'état de VBNC chez certains pathogènes, dont E. coli et Vibrio spp. Ces cellules ne sont pas détectées par des méthodes de culture standard, mais peuvent être réanimées dans des conditions favorables.
  • Modélisation écologique:[ L'intégration de modèles cinétiques de désinfection de l'ozone à des modèles de croissance microbienne et de compétition pourrait aider à prédire le résultat de différentes stratégies de dosage de l'ozone sur la structure de la communauté.

Comme les services publics d'eau sont confrontés à des menaces croissantes liées au changement climatique, à la dégradation des sources d'eau et aux contaminants émergents, l'ozonisation continuera d'être un outil essentiel. Le défi consiste à exploiter son pouvoir de désinfection sans inventorier par inadvertance une communauté microbienne qui sape ses propres avantages.

Conclusion

L'ozonisation exerce une influence profonde sur l'écologie microbienne des systèmes de traitement de l'eau, qui s'étend bien au-delà de l'inactivation simple des agents pathogènes. Elle réduit la diversité microbienne, impose une pression sélective qui peut favoriser les souches résistantes à l'ozone et libère des impulsions de carbone organique qui alimentent la régénération dans les processus en aval. Bien que ces effets puissent améliorer la qualité globale de l'eau lorsqu'ils sont bien gérés, ils présentent aussi des risques : l'émergence potentielle d'agents pathogènes résistants, l'enrichissement des gènes de résistance aux antibiotiques et la déstabilisation des communautés de biofilms bénéfiques.

Pour de plus amples renseignements sur les meilleures pratiques d'application de l'ozone dans le traitement de l'eau potable, voir la page d'orientation de l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis et les Lignes directrices de l'OMS pour la qualité de l'eau potable , qui comprennent une discussion approfondie sur la désinfection de l'ozone et ses conséquences écologiques.