Etude de l’influence des paramètres de gestion des CTA sur le développement d’aérosols microbiens – Echelle du laboratoire

Introduction

Ce premier chapitre a plusieurs objectifs. Dans un premier temps, établir un état de l’art des études antérieures traitant de la qualité de l’air extérieur et intérieur, concernant notamment les particules et les aérosols microbiens, ainsi que leur impact sur la santé. Deuxièmement, les techniques de génération, d’échantillonnage et de caractérisation des aérosols sont présentées afin de constituer le support technique pour mener à bien les parties expérimentales de ces travaux. Ensuite, une description des systèmes de ventilation et du traitement de l’air, ainsi que de la théorie de la filtration sur des médias filtrants fibreux est exposée. Enfin, les études antérieures sur le comportement des aérosols microbiens sur les filtres des CTA seront évoquées afin d’identifier les paramètres influents.

Les particules dans l’air et les aérosols microbiens

Définition et formation des aérosols

Un aérosol peut être défini comme une particule liquide ou solide en suspension dans l’air ou dans un milieu gazeux, ou bien déposée sur une surface et susceptible d’être mise en suspension dans des conditions normales de température, humidité et pression (Le Coq, 2006). Les aérosols sont de composition chimique, de forme et de taille variées, dont les diamètres s’échelonnent de 0,005 µm à 100 µm ; ils ont aussi une vitesse limite de chute négligeable (Renoux & Boulaud, 1998). Les aérosols regroupent, entre autres, les poussières, les suies et fumées, les brumes et brouillards, les gouttelettes et les particules ayant un contenu biologique. Ils ont un rôle dans la physicochimie de l’atmosphère, spécialement dans la formation des nuages et des précipitations et ils sont également impliqués dans le trou dans la couche d’ozone stratosphérique et le réchauffement climatique.
Les aérosols ont deux origines : naturelle, par exemple les sols et débris de roches, le sel marin, les débris d’éruptions volcaniques, les pollens, etc. ; ou anthropogène, par exemple les fumées des industries et les particules émises par les processus de combustion. En moyenne sur la planète, la contribution naturelle est bien supérieure à l’apport industriel et humain (Renoux & Boulaud, 1998). Cependant, en zone urbaine ou industrielle, les aérosols anthropiques sont majoritaires. Par rapport au mécanisme de formation, les aérosols peuvent être primaires ou secondaires. Les aérosols primaires proviennent de processus de fragmentation ou combustion tandis que les aérosols secondaires sont formés par des réactions de conversion gaz-particules (Agranovski, 2010). Les aérosols peuvent être caractérisés par leur forme, leur taille et leur composition chimique.

Classification des aérosols

La forme des particules est idéalement considérée comme une sphère pour des raisons de simplicitédans les modèles mathématiques cherchant à expliquer leur comportement, mais en réalité les aérosols ont des formes irrégulières (Agranovski, 2010). Pour ramener tout aérosol à une particule sphérique, il existe des facteurs de forme géométriques ou dynamiques dans la littérature qui sont spécifiques pour les différents types d’aérosols. Il existe aussi l’indice de sphéricité, défini comme le rapport entre la surface d’une sphère et la surface d’une particule de même volume : égal à 1 pour une sphère et inférieur pour les autres formes (Renoux & Boulaud, 1998).
Pour comprendre la classification des aérosols par rapport à leur taille, il est nécessaire d’introduire la définition du diamètre d’une particule sachant qu’il y a plusieurs façons de l’exprimer.
 Le diamètre géométrique : lié notamment à la morphologie de particules, il peut être accessible par microscopie électronique,
 Le diamètre du volume équivalent d ev : correspondant au diamètre d’une sphère ayant le même volume et la même masse volumique que la particule,
 Le diamètre optique d opt : correspondant à l’information que les compteurs optiques donnent, lié à l’indice de réfraction des aérosols,
 Le diamètre électrique : lié à la mobilité électrique des particules et mesuré par des analyseurs électriques,
 Le diamètre de Stokes dSt , correspondant au diamètre d’une sphère ayant la même vitesse de sédimentation et la même masse spécifique que la particule.

Les particularités des bioaérosols

Les bioaérosols sont des composants omniprésents parmi les aérosols atmosphériques. Des microorganismes, par exemple, ont été détectés dans la phase aqueuse de l’atmosphère, comme les nuages et le brouillard. Leur rôle dans la chimie de l’atmosphère est actuellement un sujet d’étude (Amato et al., 2005 ; Bauer et al., 2008 ; Delort et al., 2010). En général, les bioaérosols sontprésents dans l’air sous forme :
 d’éléments biologiques individualisés (spores, cellules bactériennes, virus isolés),
 d’agrégats ou d’assemblages constitués de plusieurs éléments biologiques,
 de produits ou de fragments d’éléments biologiques individualisés,
 de particules d’origine biologique associées à des particules d’origine non biologique.
En effet, dans l’air les cellules bactériennes sont rarement isolées puisqu’elles ont tendance à s’associer avec les particules présentes dans l’air. Ces particules peuvent offrir une protection contre la lumière et la dessiccation aux bactéries qui ainsi survivent mieux sur des longues distances (Lighthart et Kim, 1989).
Les particules biologiques de dimension supérieure à 2 µm proviennent principalement des plantes qui libèrent les spores et le pollen dans l’atmosphère. Les particules de taille inférieure à 2 µm sontsouvent produites par des activités industrielles ou agricoles (Matthias-Maser et al., 1995). LeTableau 1-2 présente les tailles associées à différents types de bioaérosols.

Généralités sur les bactéries

Classification

Les bactéries sont des organismes unicellulaires procaryotes qui ont une membrane cellulaire mais n’ont ni noyau ni organite (c.f. Figure 1-4.a). Les formes les plus communes sont : les coques (à peu près sphériques), les bacilles (sous forme de bâtonnets) et les formes intermédiaires (coccobacilles, hélicoïdales). Néanmoins, il existe d’autres formes (c.f. Figure 1-4.b). Elles peuvent exister en tant que cellules individuelles mais sont aussi associées en arrangements caractéristiques qui sont souvent utiles pour leur identification. Les « biofilms » sont des communautés multicellulaires composées d’arrangements complexes de cellules et de composants extracellulaires (Prescott et al., 1995).

Sources d’énergie et croissance

Les bactéries autotrophes sont capables d’utiliser diverses sources de carbone, qui vont des substrats inorganiques aux composés organiques complexes. Celles qui sont hétérotrophes peuvent métaboliser des composés carbonés en présence ou en absence d’oxygène, elles sont dites aérobies ou anaérobies respectivement. Certaines bactéries peuvent aussi bien se développer en présence ou absence d’oxygène et elles sont nommées aérobies facultatives (ACGIH, 1999).
Dans le groupe des bactéries Gram-positives, se trouvent les bactéries thermophiles, dont la croissance est favorisée par des températures comprises entre 50 et 55 °C. Il existe aussi les bactéries mésophiles qui poussent entre 18 et 44 °C et les bactéries psychrophiles qui sedéveloppent entre 0 et 10 °C.

Reproduction

La reproduction des bactéries se fait par duplication d’une cellule mère en deux cellules filles identiques. Certaines bactéries Gram-positives sont capables de former des structures spéciales et dormantes appelées endospores lorsqu’elles rencontrent des conditions défavorables ou de stress, lesquelles peuvent former de nouvelles bactéries quand les conditions s’améliorent. Les genres Bacillus et Clostridium ont cette capacité de former des endospores à l’intérieur des cellules. Ces structures sont extrêmement résistantes à la chaleur, aux radiations ultraviolettes, aux désinfectantschimiques et à la dessiccation.
Elles ont aussi la capacité de survivre au manque d’eau et d’éléments nutritifs, notamment les sucres et les acides aminés. La sporulation est un phénomène complexe qui commence au moment où la cellule végétative n’a plus de nutriments et en conséquence la croissance cellulaire s’arrête. Souvent, les spores ne se forment pas dans un milieu riche sauf s’il y a une activation qui prépare les spores pour la germination. La germination peut démarrer grâce à la présence de métabolitesounutriments et donc la croissance bactérienne recommence (Prescott et al., 1995).

Toxines

Les bactéries produisent aussi des exotoxines et des endotoxines. Les exotoxines sont des protéines produites à l’intérieur de la cellule et qui sont sécrétées dans leur environnement. Elles n’ont pas été trouvées dans l’air. Les endotoxines sont des lipopolysaccharides qui font partie de la paroi cellulaire des bactéries Gram-négatives, et qui sont libérées lorsque celle-ci se lyse. Les endotoxines sont également libérées pendant la multiplication bactérienne et peuvent être à l’origine d’effet sur la santé (Prescott et al., 1995). Enfin, il existe un type de bactéries particulier appelées actinomycètes, qui sont des bactéries Gram-positives mais qui forment des hyphes filamenteux etproduisent des spores asexuées ; elles ressemblent fortement aux moisissures en termes de mécanisme de reproduction.

Généralités sur les « Fungi »

Classification

Le règne des « Fungi » comprend les espèces fongiques ou mycètes (appelés communément champignons) qui sont des eucaryotes non chlorophylliens. Les cellules eucaryotes ont une organisation cellulaire plus évoluée et plus complexe par rapport à celle des cellules procaryotes (c.f. Figure 1-5a). Selon leur morphologie, les « fungi » peuvent être classés en 3 types : les levures, les moisissures et les champignons dimorphes. Les levures sont des mycètes qui sont unicellulaires, au moins dans le milieu de culture, et qui ne forment pas de mycélium (c.f. section II.1.2.2.b: Sources d’énergie et croissance). Les moisissures sont une communauté qui se développe de manière filamenteuse en formant des mycéliums et qui sont visibles notamment sur les structures des bâtiments, les rebords des fenêtres et sur les murs des ambiances humides. Les dimorphes sont des mycètes qui ont lesdeux caractéristiques.

Toxines et métabolites

La paroi cellulaire des « fungi » contient souvent de la chitine et des glucanes , notamment les liaisons β-1,3 et β-1,6. Ils produisent aussi des métabolites primaires et secondaires. Les premiers sont des produits essentiels pour les fonctions fongiques et sont les produits intermédiaires ou finaux de la voie métabolique, tels que les sucres, les aminoacides, le glycérol, les acides organiques, etc. Les métabolites secondaires ne sont pas essentiels pour la croissance et sont des composés assez divers formés par des organismes particuliers, comme par exemple les antibiotiques et les toxines fongiques ou mycotoxines (Deacon, 2006). Ces toxines peuvent être à l’origine de mycoses (maladies parasitaires) et de réactions allergiques (fièvre, rhinites, asthme oupneumonie) chez les humains.

Les aérosols et la qualité de l’air

Aérosols atmosphériques urbains

Les concentrations de particules varient significativement dans le temps (variations jour/nuit), par rapport à l’endroit d’analyse (zone influencée par le trafic routier, zone résidentielle) et aux conditions climatiques (saisons, périodes de pluie, etc.). Pour avoir des ordres de grandeur, rappelons les valeurs standards de qualité de l’air. L’Union Européenne (UE) a établi des valeurs limites pour les PM10 : la valeur moyenne annuelle limite est 40 µg/m 3 , tandis que la valeur moyenne limite sur 24 heures est 50 µg/m 3 pour 2005. Pour les PM2,5, la valeur moyenne annuelle limite fixée par l’UE est 25 µg/m 3 pour 2010. Plusieurs publications ont rassemblé les résultats de différentes campagnes d’échantillonnage pour mesurer les niveaux des particules.
Par exemple, les concentrations moyennes annuelles de PM10 dans de zones urbaines en Amérique du Nord et en Europe occidentale, ont été reportées entre 30 et 60 µg/m 3 (Cohen et al., 2004). Putaud et.al. (2010) ont remarqué que, dans les zones urbaines, les concentrations annuelles des PM10 dans le sud-est de l’Europe sont significativement supérieures (médiane = 36 µg/m 3 ) par rapport à celles du nord-ouest et Europe centrale (médianes = 24-26 µg/m 3 ). Carlsson et Johnsson (2012) présentent des concentrations de PM2,5 entre 11 et 21 µg/m 3 pour quelques villes européennes (London, Paris, Berlin, Zurich et Copenhague).
Concernant la granulométrie de l’aérosol urbain, une distribution bimodale en nombre est souvent rencontrée : un premier pic entre 1 et 2 µm est attribué aux émissions anthropiques tandis que le deuxième pic, souvent entre 8 et 15 µm est la conséquence des émissions naturelles. En masse, la valeur modale peut être trouvée entre 5 et 20 µm. Dans les zones urbaines, les particules entre 2,5 et 10 µm prédominent par rapport aux PM2,5. Il est connu aussi que les zones urbaines présentent des concentrations de PM10 plus élevées par rapport aux zones rurales (Monn, 2001).
Concernant la composition chimique, d’après la revue de Calvo et al. (2013), les principaux composés qui constituent les aérosols urbains sont les espèces sulfurées, azotées et carbonées. Cette composition chimique dépend de la nature des sources. La plupart des aérosols sulfurés sont de sulfates secondaires produits par l’oxydation de gazes précurseurs, comme le SO 2 et le diméthyle sulfure, suivi d’un processus de formation de particules par nucléation ou condensation. Les aérosols azotés sont également d’origine secondaire comme résultats de réactions de précurseurs naturels et anthropiques. Les principaux gaz précurseurs sont le NO, NO 2, N 2O, NH3 et l’acide nitrique. Ces aérosols ont généralement un diamètre inférieur à 2,5 µm (Putaud et al., 2010 ; Squizzato et al., 2013) . Les aérosols carbonés correspondent à une fraction importante des aérosols atmosphériques et ils comprennent les carbonates, le carbone élémentaire et le carbone organique.
Cette fraction, en masse, peut atteindre jusqu’à 50% de PM2,5 et 70% de PM1 des aérosols urbains.
Les processus de combustion comme le trafic routier et les procédés industriels sont les principales sources primaires de particules d’origine anthropique (Li et al., 2012).

Les systèmes type bulleurs

La génération d’aérosols par les systèmes « bulleurs » repose sur le principe de barbotage. Cette technique consiste à injecter de l’air comprimé à travers un disque poreux immergé dans une suspension liquide (Reponen et al., 1997; Ulevicius et al., 1997) (c.f. Figure 1-15a). Les gouttelettes formées sont déshydratées par l’injection d’un courant tangentiel d’air sec et elles sont entraînées vers la sortie du générateur par un deuxième courant d’air, lequel permet une réduction de leur taille. Les particules nébulisées peuvent avoir des charges électriques lesquelles sont souvent neutralisées après le processus de génération. Cette méthode est moins violente que la nébulisation pneumatique et réduit le stress imposé aux microorganismes (Mainelis et al., 2001; Reponen et al., 1996).
Une modification de ce type de génération a été effectuée par Mainelis et.al. (2005), qui ont imaginé le LSA (Liquid Sparging Aerosolizer) dans lequel le disque poreux n’est plus immergé dans la solution liquide de caractère microbien (c.f. Figure 1-15b). Cette dernière est amenée vers la surface du disque en formant un film liquide fin grâce à une pompe péristaltique. L’air comprimé d’aérosolisation délivré à travers le disque poreux traverse le film liquide en créant un barbotage, ainsi qu’un séchage des gouttelettes qui facilite la sortie du bioaérosol généré. Les particules non entrainées par le courant d’air sont récupérées au fond de la cuve et elles ne participent pas dans le processus d’aérosolisation. Par conséquent, les microorganismes dispersés ne subissent qu’uneseule fois le stress propre de la génération.
Simon et.al. (2011) ont développé un nouveau générateur largement inspiré du LSA. Ils ont implémenté une injection d’air complémentaire d’entraînement qui améliore le séchage des particules dispersées. Ce débit complémentaire est formé par un mélange d’air humide et d’air sec en proportion variable et il est injecté en partie basse de l’enceinte de génération (c.f. Figure 1-15c).

Table des matières
Introduction générale 
Chapitre 1. Etude bibliographique 
I. Introduction
II. Les particules dans l’air et les aérosols microbiens
II.1. Définition et formation des aérosols
III. Les aérosols et la qualité de l’air
III.1. Aérosols atmosphériques urbains
III.2. Qualité microbiologique de l’air
IV. Les aérosols microbiens et les impacts sur la santé
V. Techniques de génération, échantillonnage et caractérisation des aérosols
V.1. Techniques de génération d’aérosols
V.2. Echantillonnage d’aérosols
V.3. Caractérisation d’aérosols
VI. Centrales de traitement d’air
VI.1. Filtration de particules – rappel théorique
VI.2. Comportement des microorganismes sur les filtres à air
VII. Conclusion du chapitre
Chapitre 2. Matériels et méthodes
I. Introduction
II. Caractérisation des médias fibreux filtrants utilisés dans cette étude
II.1. Présentation des filtres – Classification
II.2. Propriétés de structure et de contexture
III. Description des aérosols « modèles » étudiés
III.1. Fraction minérale (Al2O3)
III.2. Fraction organique (riz micronisé)
III.3. Consortium microbien
IV. Choix des techniques de génération, d’échantillonnage et de quantifications des aérosols étudiés
IV.1. Génération des aérosols particulaires et microbiens
IV.2. Echantillonnage des aérosols microbiens
IV.3. Technique de quantification des aérosols particulaires et microbiens
IV.4. Récapitulatif
V. Protocole d’extraction des microorganismes des filtres
VI. Tests préliminaires de survie des deux souches sélectionnées
VI.1. Test de vérification de la croissance de B. subtilis et d’A. niger dans une suspension de riz micronisé
VI.2. Test de croissance de B. subtilis et d’A. niger sur des filtres G4 et F7 plans colmatés avec des particules Al 2O3 /riz micronisé
VII. Conclusion du chapitre
Chapitre 3. Etude de l’influence des paramètres de gestion des CTA sur le développement d’aérosols microbiens – Echelle du laboratoire
I. Introduction
II. Développement du dispositif expérimental : mini CTA
II.1. Conception et dimensionnement de la mini CTA
II.2. Principe de fonctionnement
II.3. Validation expérimentale de la mini CTA
III. Démarche expérimentale
III.1. Description des configurations à tester
III.2. Plan d’expériences
III.3. Protocole expérimental
IV. Résultats et discussion
IV.1. Conditions de colmatage et de contamination des filtres
IV.2. Concentration générée et distribution granulométrique du consortium microbien
IV.3. Evolution de la perte de charge en fonction du temps
IV.4. Performances des filtres vis-à-vis des filtres avec des aérosols particulaires (fraction  inorganique et organique)
IV.5. Efficacités des filtres vis-à-vis des aérosols microbiens (comptage UFC)
IV.6. Concentration des microorganismes sur les filtres
IV.7. Perméabilité des filtres colmatés
IV.8. Relargage des particules
V. Conclusion du chapitre
Chapitre 4. Etude de l’influence des paramètres de gestion des CTA sur le développement d’aérosols microbiens – Suivi des performances de deux CTA à pleine échelle
I. Introduction
II. Description du site
III. Démarche expérimentale
III.1. Suivi des paramètres et campagnes d’essais
III.2. Suivi de la concentration de microorganismes sur les filtres – Méthodologie d’échantillonnage
III.3. Estimation du débit dans la gaine de la CTA9
IV. Résultats et discussion
IV.1. Concentrations et distribution granulométrique des aérosols dans les gaines de ventilation
IV.2. Performances des filtres
IV.3. Comparaison des performances des filtres à l’échelle laboratoire et en conditions réelles vis-à-vis des particules
IV.4. Paramètres climatiques
IV.5. Quantification de la concentration d’AM dans l’air
IV.6. Concentration des microorganismes sur les filtres
V. Conclusion du chapitre
Conclusion générale
Annexes

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