Si on veut saisir la dynamique microbiologique d’une source pendant des heures ou des journées, ce n’est pas une mince affaire, même avec la cytométrie en flux. Chaque échantillon doit être prélevé à la source, puis préparé et mesuré en laboratoire. C’est ce qui a amené l’équipe de recherche Microbiologie de l’eau potable à développer un système automatisé pour des mesures par cytométrie en flux à haute résolution temporelle (Fig. 2). 

Au lieu d’entrer manuellement chaque échantillon dans le cytomètre en flux, c’est une unité couplée qui effectue désormais toutes les étapes de manière autonome, depuis le prélèvement de l’échantillon jusqu’au nettoyage de l’appareil en passant par la préparation des échantillons et la coloration de l’ADN/ARN. Le système de mesure entièrement automatisé peut être installé directement sur place, par exemple près d’une source ou d’une station d’épuration et fournir, à partir de là et pendant des mois, des séries de mesure à haute résolution temporelle des concentrations bactériennes. Cela permet pour la première fois de mettre à disposition des dizaines de milliers de mesures portant sur la qualité microbiologique de l’eau – un trésor d’informations jusque-là impensable. 

Détecter les périodes à risque

Les applications de la cytométrie en flux automatisé ont été testées en détail dans des systèmes naturels et techniques. C’est Michael Besmer qui a réalisé la plupart de ces tests dans le cadre de la thèse qu’il a rédigée à l’Eawag sur le projet « Approvisionnement régional en eau Bâle-Campagne 21 ». Un grand nombre de réseaux d’approvisionnement en eau de l’arc jurassien utilisent l’eau de résurgences. Comme les eaux de pluie et de surface – et par conséquent aussi des polluants – peuvent s’infiltrer très rapidement par les fissures et cavités typiques du karst dans les nappes phréatiques, la qualité de l’eau pose un problème particulier dans ces régions. Jusqu’ici, on a essayé de saisir les pertes de qualité de l’eau en mesurant certains facteurs (comme par ex. sa conductivité, sa turbidité, son pH) afin de déconnecter les captages d’eau à temps du réseau. Dans le cadre de ce projet, de telles résurgences ont fait pendant des semaines l’objet de mesures répétées automatiquement tous les quarts d’heure. Par temps de sécheresse, les concentrations bactériennes étaient très faibles et stables. Les averses de pluie entraînaient en l’espace de quelques heures des pics de pollution nets qui mettaient plusieurs jours à s’atténuer. De tels constats aident la compagnie des eaux concernée à mieux détecter les périodes à risque accru et à prendre des mesures modulables pour assurer la qualité de l’eau. « Nous savons maintenant où, quand et comment il faut être plus attentif », résume M. Besmer. Cette démarche permet de mieux comprendre et d’optimiser de manière plus ciblée certains processus non seulement dans des écosystèmes naturels, mais aussi dans des processus technologiques comme le traitement de l’eau. 

Au cours de sa thèse, Michael Besmer avait déjà remarqué l’importance de l’intérêt suscité par cette technologie dans la recherche et la pratique. Cela l’a incité à fonder avec des co-équipiers une spin-off de l’Eawag. Cette dernière repose sur les appareils développés avec deux dépôts de brevet et des connaissances acquises sur les dynamiques microbiologiques. Compte tenu de l’émergence du marché, un grand nombre de clients apprécient en particulier les compétences techniques et les conseils qui vont au-delà de la vente des appareils. Grâce au succès de la coopération sur le terrain en Suisse, mais aussi avec des groupes de recherche internationaux et avec des partenaires industriels, Besmer peut s’en donner à cœur joie. Sur le plan technologique, l’Eawag et la spin-off misent sur l’unité d’automatisation mentionnée qui peut être connectée en principe avec tout cytomètre en flux usuel. Ses atouts résident dans sa grande flexibilité, car celle-ci permet de répondre aux multiples desideratas des clients. Besmer estime qu’il ne faut pas non plus sous-estimer sa haute fiabilité, si l’on en croit des articles scientifiques de revues professionnelles.

Un détecteur de bactéries en temps réel pour bientôt ?

Le chef de groupe Frederik Hammes, qui a assuré le suivi de la thèse de M. Besmer, est convaincu du potentiel de la cytométrie en flux en ligne. Il se félicite en particulier de la mise en pratique rapide de cette innovation dans le projet de Bâle-Campagne. Les crédits accordés en plus par la Direction de l’Eawag pour financer de nouveaux appareils en valaient donc largement la peine. Tandis que Besmer s’occupe dans sa nouvelle société "onCyt" d’optimiser l‘appareil, Hammes forge des projets visant d’autres applications de cette technologie dans la recherche fondamentale et appliquée. A l’ordre du jour, une version disposant d’une résolution temporelle encore plus élevée, dans laquelle le cytomètre en flux en ligne fera office pour ainsi dire de détecteur de bactéries. En le montant sur un bateau, on pourrait longer par exemple une côte et saisir en permanence la concentration bactérienne de l’eau due par exemple aux eaux usées.

La dynamique microbiologique devient visible
La cytométrie en flux automatisé permet de suivre régulièrement des dynamiques microbiologiques en détail. On a pu ainsi mesurer tous les quarts d’heure dans un grand immeuble le nombre total de microorganismes s’écoulant d’un robinet ouvert : ses variations journalières typiques ont pu être documentées avec une hausse des concentrations bactériennes la nuit et une baisse rapide le matin – lorsque de l’eau est de nouveau utilisée dans d’autres endroits du bâtiment. Dans une rivière, la cytométrie en flux automatisé a permis de montrer les variations journalières dictées par la photosynthèse et de constater une augmentation des microorganismes après une averse. Ses applications dans un réseau d’approvisionnement en eau potable plus important ont aussi été intéressantes : la démonstration de modèles microbiologiques après le traitement et le remplissage des réservoirs permet désormais aux exploitants d’optimiser leurs processus. 

Tout seul, on ne peut pas tout faire

Interview avec Michael Besmer, CEO onCyt Microbiology AG