The effect of turbulent flow and surface roughness on biofilm formation in drinking water

Percival, Steven L.; Knapp, J. S.; Wales, D. S.; Edyvean, R.G.J.

doi:10.1038/sj.jim.2900622

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“…Both modelling [66,67] and experimental studies [57,68] have revealed the important roles that, for example, shear-stress-induced detachment of cells or increased oxygen transport to a biofilm in turbulent flow conditions play on the structure and growth of an established biofilm. From an engineering perspective, this does give some inkling of ways of managing the flow of the water distribution system to control the sloughing of biofilm material into the bulk water that ultimately emerges at the tap.…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

A Keystone Methylobacterium Strain in Biofilm Formation in Drinking Water

Tsagkari

Keating

Couto

et al. 2017

Water

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Abstract:The structure of biofilms in drinking water systems is influenced by the interplay between biological and physical processes. Bacterial aggregates in bulk fluid are important in seeding biofilm formation on surfaces. In simple pure and co-cultures, certain bacteria, including Methylobacterium, are implicated in the formation of aggregates. However, it is unclear whether they help to form aggregates in complex mixed bacterial communities. Furthermore, different flow regimes could affect the formation and destination of aggregates. In this study, real drinking water mixed microbial communities were inoculated with the Methylobacterium strain DSM 18358. The propensity of Methylobacterium to promote aggregation was monitored under both stagnant and flow conditions. Under stagnant conditions, Methylobacterium enhanced bacterial aggregation even when it was inoculated in drinking water at 1% relative abundance. Laminar and turbulent flows were developed in a rotating annular reactor. Methylobacterium was found to promote a higher degree of aggregation in turbulent than laminar flow. Finally, fluorescence in situ hybridisation images revealed that Methylobacterium aggregates had distinct spatial structures under the different flow conditions. Overall, Methylobacterium was found to be a key strain in the formation of aggregates in bulk water and subsequently in the formation of biofilms on surfaces.

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Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

A Keystone Methylobacterium Strain in Biofilm Formation in Drinking Water

Tsagkari

Keating

Couto

et al. 2017

Water

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“…The time of initiation of the settlement process can result in temporal variation in these stages (Sousa 1979, Hawkins 1981). In addition, a variety of other factors such as surface chemistry (see review in Railkin 2003), water flow and boundary layer processes (Santos et al 1991, Percival et al 1999, physical gap size (Sousa 1984, Dye 1993) and substrate surface roughness (Harlin & Lindbergh 1977, Walters & Wethey 1996, are also known to influence settlement processes. Algal spores, for example, settled on elevated areas on a rough rock surface when there was no water movement, but in pits on the surface under flowing water conditions (Norton & Fetter 1981).…”

Section: Recruitment On Heterogeneous Surfacesmentioning

confidence: 99%

Microspatial variation in marine biofilm abundance on intertidal rock surfaces

Hutchinson¹,

Nagarkar²,

Aitchison³

et al. 2006

Aquat. Microb. Ecol.

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The effect of substrate surface roughness on small-scale patchiness and the ability of molluscan grazers to feed on intertidal biofilms was examined in a factorial experiment. Granite slabs were treated to create 4 different levels of surface roughness, and biofilm and macroalgae were allowed to recruit. Biofilm cover varied greatly with slab roughness, and was spatially patchy at a scale of millimetres. Diatoms dominated the biofilm, but were less abundant on surfaces with the smallest pits. Cover of diatoms and cyanobacteria was affected by surface roughness, with increased abundance around surface features. Different species of grazer varied in their success at removing certain diatoms and cyanobacteria from slabs of varying roughness, due to either the morphology of the different food types or grazer radula structure. Cover of macroalgal species on the slabs of different roughness also varied, and one species, Hypnea sp., did not recruit on smooth slabs. Rock roughness, therefore, affects both the biofilm and algal species that recruit and their abundance. Grazers were able to remove algae from slabs of all roughness with no apparent species-specific differences in their ability. However, grazer species appear to be more or less efficient at feeding according to the level of roughness, and this combination of variation in rock roughness and grazer efficiency may explain the observed small-scale patchiness on rocky shores in Hong Kong.

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“…Les composés présents dans la matrice extracellulaire peuvent donc constituer une source de nutriments pour les cellules microbiennes présentes dans les biofilms (SUTHERLAND, 2001). Cette matrice assure également une stabilité mécanique aux biofilms, leur conférant ainsi une résistance aux forces de cisaillement (PERCIvAL et al, 1999;STOODLEy et al, 2002b;vAN LOOSDTRECHT et al, 1995,). Par ailleurs, en comparant les microorganismes fixés à la surface d'un matériau avec leurs homologues planctoniques, il a été montré que les biofilms microbiens présentent une résistance accrue aux agents désinfectants (LECHEvALLIER et al, 1988;RyU et BEUCHAT, 2005;STEED et FALKINHAM, 2006;TACHIKAwA et al, 2005).…”

Section: Les Relations Structures-fonctionsunclassified

“…De cette manière, il a été montré que l'ensemble des matériaux métalliques (l'acier, le cuivre et la fonte), organiques (le chlorure de polyvinyle, le polyéthylène, le polypropylène et le caoutchouc) et composites (le béton et les résines époxy), au contact avec l'eau potable, sont potentiellement générateurs de biofilms (CLOETE et al, 2003;FLEMMING, 2002;HALLAM et al, 2001;LEHTOLA et al, 2004;NIqUETTE et al, 2000;PERCIvAL et al, 1999;SIMõES et al, 2006;vAN DER KOOIJ et al, 2003). La densité cellulaire pouvant être dénombrée au sein d'échantillons de biofilms formés à la surface de matériaux en contact avec l'eau potable peut être comprise entre 10 4 et 10 9 cellules par cm 2 (CLOETE et al, 2003;DELAHAyE 2004;LANGMARK et al, 2005;PAqUIN et al, 1992;PERCIvAL et al, 1999). En visualisant par microscopie électronique le développement d'un biofilm formé sous l'action d'eau potable, MARTINy et al (2003) ont observé la formation d'une structure microbienne pouvant atteindre 30 µm d'épaisseur et recouvrant 95 % de la surface colonisable après 600 jours d'incubation.…”

Section: L'étude Des Biofilms Dans Le Système De Distibution D'eau Pounclassified

“…En visualisant par microscopie électronique le développement d'un biofilm formé sous l'action d'eau potable, MARTINy et al (2003) ont observé la formation d'une structure microbienne pouvant atteindre 30 µm d'épaisseur et recouvrant 95 % de la surface colonisable après 600 jours d'incubation. Cependant, ces valeurs peuvent considérablement varier d'une étude à une autre puisque la formation des biofilms dans les réseaux de distribution est fonction du temps de colonisation, du type de surface colonisée et des conditions environnementales (régime hydraulique, caractéristiques physico-chimiques et biologiques de l'eau) (HALLAM et al, 2001;NIqUETTE et al, 2000;NORTON et LECHEvALLIER, 2000;PERCIvAL et al, 1999). Dans une étude réalisée sur un système de distribution en banlieue parisienne, il a été estimé que les biofilms à la surface d'une conduite de 100 mm de diamètre peuvent représenter une biomasse microbienne 25 fois plus importante que celle présente dans la phase aqueuse (Figure 8) (SERvAIS et al, 2004) .…”

Section: L'étude Des Biofilms Dans Le Système De Distibution D'eau Pounclassified

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Le réseau de distribution d’eau potable : un écosystème complexe lié à des enjeux de santé publique

Poitelon

Joyeux

Welté

et al. 2012

rseau

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L’émergence de pathogènes dans l’eau destinée à la consommation humaine représente une préoccupation majeure en matière de santé publique pour les industriels et les pouvoirs publics concernés. Parmi ces pathogènes, certains sont d’origine fécale (Cryptosporidium, Campylobacter ou bien les rotavirus), alors que d’autres vivent dans l’environnent naturel (Legionella, Pseudomonas, Aeromonas ou bien les mycobactéries). Dans l’optique de mettre en place une analyse des risques liés à la présence de ces pathogènes, il est important d’accroître nos connaissances sur l’écologie de ces microorganismes et de développer des outils d’analyse afin de réaliser une meilleure surveillance sanitaire. Par conséquent, l’écologie microbienne du réseau de distribution d’eau potable doit être étudiée en détail, particulièrement vis-à-vis des propriétés physiologiques et la diversité des espèces microbiennes présentes, afin de mieux comprendre les interactions entre les espèces communément rencontrées et celles pathogènes.The emergence of pathogens in water intended for human consumption is a major concern in terms of the public health industry and the public authorities concerned. Among these pathogens, some are of faecal origin (Cryptosporidium, Campylobacter, or rotavirus), while others live in the natural environment (Legionella, Pseudomonas, Aeromonas or mycobacteria). In order to establish a risk analysis related to the presence of these pathogens, it is important to increase our knowledge on the ecology of these microorganisms and to develop analytical tools to achieve better health monitoring. Therefore, the microbial ecology of drinking water distribution networks must be studied in detail, especially with respect to the properties and physiological diversity of the microbial species present, in order to better understand the interactions between species commonly encountered and those that are pathogens

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The effect of turbulent flow and surface roughness on biofilm formation in drinking water

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A Keystone Methylobacterium Strain in Biofilm Formation in Drinking Water

A Keystone Methylobacterium Strain in Biofilm Formation in Drinking Water

Microspatial variation in marine biofilm abundance on intertidal rock surfaces

Le réseau de distribution d’eau potable : un écosystème complexe lié à des enjeux de santé publique

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