Interactions Matériaux-Microorganismes

Interactions Matériaux-Microorganismes

Cet ouvrage pluridisciplinaire est le fruit d’un travail collectif synthétisant les présentations effectuées par différents spécialistes des domaines concernés lors de l’école CNRS « BIODEMAT », qui a eu lieu en octobre 2014 à la Rochelle sous l’égide du CEFRACOR. Il est conçu pour des lecteurs de différentes spécialités scientifiques (chimie, biologie, physique…) et s’intéresse à différents problèmes industriels (eau, assainissement, maintenance des ouvrages…). Les matériaux, qu’ils soient métalliques, cimentaires, polymériques, composites, vieillissent en fonction de leur environnement de service. Ainsi, lorsque des microorganismes sont présents, ces derniers peuvent induire une biodétérioration. Cependant, les microorganismes peuvent également contribuer à la protection des structures, à condition de maîtriser et d’exploiter leurs immenses possibilités.Cet ouvrage se décompose en cinq thèmes relatifs à la biocolonisation puis à la biodétérioration des matériaux et enfin à leurs améliorations possibles pour obtenir une meilleure performance vis-à-vis de la biodétérioration :– physico-chimie des surfaces,– les biofilms : des acteurs de la biodétérioration,– biocorrosion des matériaux métalliques,– biodétérioration des matériaux non métalliques,– conception et modification des matériaux.L’affiliation des auteurs des différents chapitres, dont la liste est donnée en fin d’ouvrage, permet d’illustrer la nécessaire synergie entre la recherche académique et sa transposition au niveau industriel. Ceci démontre bien l’interaction indispensable entre les différents acteurs de ce domaine complexe, pour analyser, comprendre et répondre aux enjeux scientifiques liés à la biodétérioration.

Table des matières

Table des matières
Interactions Matériaux-Microorganismes 1
Cover I 5
Préface 5
Liste des auteurs 7
Thème 1. Physico-chimie des surfaces 21
1. Introduction à la physico-chimie des surfaces 23
1.1. Généralités 23
1.2. Tension superficielle et mouillabilité 24
1.3. Adsorption 30
1.4. Surfaces chargées 34
1.5. Caractérisation et modification des surfaces 40
1.6. Remerciements 41
2. Matériaux de construction : généralités et caractéristiques physico-chimiques 43
2.1. Généralités – ciments, mortiers et bétons 43
2.2. Prise et durcissement – principes fondamentaux de la cristallisation 49
2.3. La chimie de surface des ciments hydratés 61
2.4. Conclusion 64
3. Interactions microorganismes-bétons 69
3.1. Généralités 69
3.2. Paramètres influençant la bioréceptivité des matériaux cimentaires 70
3.3. Mesures de l’évolution des propriétés de surfaces de pâtes cimentaires avec la technique de mesure d’angles dynamiques 75
3.4. Conclusion 83
Thème 2. Les biofilms : des acteurs de la biodétérioration 85
4. La cellule bactérienne : unité ­fonctionnelle du biofilm 87
4.1. Introduction 87
4.2. Les microorganismes 89
4.3. Diversité de microorganismes et de leurs habitats 89
4.4. Structures et fonctions de la cellule bactérienne 91
4.5. Le métabolisme chez les bactéries 102
5. Mode de vie en biofilm pour le peuple microscopique des surfaces 121
5.1. Le biofilm, un mode de vie qui nous concerne 121
5.2. Un chantier perpétuel 123
5.3. Un ciment organique complexe pour maintenir l’édifice 126
5.4. Des édifices presque indestructibles 129
5.5. Comment vivre avec les biofilms 134
6. Voyage dans l’espace intercellulaire des biofilms : nature, cohésion et fonctions des exopolymères 151
6.1. Chimie des EPS de biofilms environnementaux 152
6.2. Fonctionnalités associées aux EPS des biofilms 154
6.3. Conclusion 165
7. Biofilms en milieu marin : exemple des vasières intertidales et des structures métalliques portuaires 173
7.1. Vie en biofilm des bactéries marines 173
7.2. Conséquences de l’établissement de biofilms sur l’activité humaine en milieu marin 174
7.3. Communautés bactériennes de deux exemples de biofilms en milieu marin pouvant avoir des impacts différents 177
7.4. Conclusion 185
8. Les biofilms dans la gestion de la qualité microbienne des eaux ­destinées à la consommation humaine en cours de distribution 193
8.1. Introduction 193
8.2. De l’usine au robinet : un vaste réacteur chimique et biologique complexe à gérer 194
8.3. Les interfaces eau-matériaux dans les réseaux d’EDCH 196
8.4. Évolution des connaissances sur les causes des proliférations bactériennes dans les réseaux d’EDCH 198
8.5. Maîtriser les biofilms dans les réseaux d’EDCH 202
8.6. Conclusion 204
9. Les biofilms dans les circuits de refroidissement industriels 209
9.1. Introduction 209
9.2. Biofilm et circuits de refroidissement évaporatif : risque sanitaire 210
9.3. Biofilm dans un réseau de froid : le risque de corrosion 224
9.4. Conclusion 231
Thème 3. Biocorrosion des matériaux métalliques 235
10. Méthodes électrochimiques : application à la biocorrosion 237
10.1. Introduction 237
10.2. Influence des EPS extraits de Pseudomonas NCIMB 2021 sur le comportement à la corrosion de l’alliage 70Cu-30Ni en eau de mer 238
10.3. Influence des EPS extraits de Desulfovibrio alaskensis sur le comportement à la corrosion de l’acier doux St37-2 en eau de mer 249
10.4. Conclusion 252
11. Les interactions fer-soufre dans les phénomènes de biocorrosion 255
11.1. Introduction 255
11.2. Corrosion marine des aciers au carbone 256
11.3. Corrosion des aciers en milieux argileux – couplages galvaniques 263
11.4. Conclusion 268
Thème 4. Biodétérioration des matériaux non métalliques 273
12. Biodétérioration des matériaux cimentaires : interactions environnement – microorganismes – matériaux 275
12.1. Introduction 275
12.2. Interactions environnement – microorganismes 276
12.3. Interactions environnement – matériaux cimentaires 280
12.4. Interactions microorganismes – matériaux cimentaires : biodétérioration 286
12.5. Démarche scientifique d’étude de la biodétérioration des matériaux cimentaires 290
12.6. Conclusion 296
13. Biodétérioration des bétons 303
13.1. Introduction 303
13.2. Spécificités des bétons vis-à-vis des microorganismes 303
13.3. Processus générique de biodétérioration 308
13.4. Mesure de la biodétérioration du béton 312
13.5. Amélioration de la résistance du béton 313
13.6. Différences entre une attaque chimique et une attaque biologique 316
13.7. Conclusion 317
14. Biodétérioration des matériaux cimentaires dans les ouvrages d’assainissement 323
14.1. Introduction 323
14.2. Comment se concrétise la biodétérioration dans les ouvrages d’assainissement ? 325
14.3. L’hydrogène sulfuré : vecteur principal du phénomène de biodétérioration dans les ouvrages d’assainissement 328
14.4. Impact de la biodétérioration sur les matériaux cimentaires 331
14.5. Essais in situ pour l’étude du phénomène de biodétérioration dans les réseaux d’assainissement 338
14.6. Conclusion 342
15. Biodétérioration des œuvres d’art 347
15.1. Introduction 347
15.2. Microorganismes impliqués dans la biodétérioration des biens culturels 348
15.3. Méthodes de détection appliquée aux champignons 357
15.4. Altération des vitraux médiévaux suite à l’oxydation du manganèse 358
15.5. Méthodes de traitement par rayonnements UV-C 361
15.6. Conclusion 363
Thème 5. Conception et modification des matériaux 367
16. Choix des matériaux métalliques et biocorrosion 369
16.1. Introduction 369
16.2. Le titane et ses alliages 371
16.3. L’aluminium et ses alliages 372
16.4. Les aciers non alliés 373
16.5. Les aciers inoxydables 381
16.6. Remarques conclusives 387
17. Les surfaces antimicrobiennes : un atout dans la lutte contre le développement des biofilms 391
17.1. Introduction 391
17.2. Différents types de surfaces ou revêtements antimicrobiens 393
17.3. Focus sur les revêtements N-halamines (régénérables) 401
17.4. Conclusion 410
18. Substances microbiennes extracellulaires pour les matériaux cimentaires 415
18.1. Introduction : matériaux cimentaires et adjuvants 415
18.2. Substances microbiennes extracellulaires 416
18.3. Influence des SEC sur les performances mécaniques 417
18.4. Influence des SEC sur les caractéristiques physico-chimiques 421
18.5. Interaction entre substances extracellulaires et matériaux cimentaires : action curative 427
18.6. Conclusion 428
Cover IV 431

Compléments