Une brève histoire de la microbiologie

Là où tout a commencé

En pleine pandémie mondiale causée par un nouveau virus, il peut être difficile d'imaginer un monde où les micro-organismes seraient totalement inconnus . Pourtant , l' humanité a vécu dans l'ignorance de nos compagnons microscopiques jusqu'en 1683, lorsqu'Antoine van Leeuwenhoek a repéré pour la première fois des « animalcules » gambadant dans des gouttes d'eau . Grâce à la loupe la plus puissante jamais construite , van Leeuwenhoek était capable d'observer des micro-organismes, mais il faudrait des siècles avant que leur rôle dans la santé humaine, les maladies, la détérioration des aliments et bien plus encore ne soit compris.

Premiers événements dans l'histoire de la microbiologie

Au cours des 200 années qui ont suivi la découverte de van Leeuwenhoek, des progrès progressifs ont démontré de manière de plus en plus convaincante que de minuscules créatures invisibles à l'œil nu existaient tout autour de nous, dans chaque niche de l'environnement, et étaient responsables d'une multitude d'effets :

• En 1765, Lazzaro Spallanzani a cherché à savoir si la détérioration des aliments est inhérente à l'aliment lui-même, ou si elle est plutôt causée par un facteur environnemental inconnu. Pour ce faire, il a fait bouillir du bouillon et l'a placé dans des bocaux, fermés ou non, et a constaté que seul le bouillon contenu dans les bocaux ouverts devenait trouble et s'altérait, démontrant ainsi l'existence d'un facteur environnemental responsable de ce phénomène.

• En 1847, Ignace Semmelweis Il a recommandé aux médecins et aux chirurgiens de se laver les mains dans des solutions de chlore diluées pour réduire la transmission d'un facteur nocif encore indéfini des cadavres autopsiés aux patients vivants ; cette simple mesure a réduit le taux de mortalité dans son hôpital de quatre fois en un an.

• En 1849, John Snow a créé à lui seul le domaine de l’épidémiologie en analysant soigneusement les schémas du choléra à Londres et en concluant que, plutôt que de provenir de « miasmes » (air malsain), cette maladie était en fait transmise par un facteur inconnu dans l’eau, car elle semblait se propager dans toute la population à partir de sources d’eau.

• En 1857, Louis Pasteur décide définitivement a démystifié la théorie de la « génération spontanée » , Dans une expérience similaire à celle de Spallanzani , mais avec des flacons à col de cygne spécialement conçus, on a supposé qu'une force vitale aérienne était responsable de la contamination et de la détérioration. Ces flacons étaient dotés d'un long col incurvé conçu pour piéger les microbes environnementaux et les empêcher de pénétrer dans le flacon, tout en laissant l'air y pénétrer. Le bouillon bouilli dans ces flacons restait clair et intact, sauf si le col de cygne était cassé, prouvant ainsi que les micro-organismes, et non une force vitale présente dans l'air, étaient responsables de ces effets.

Les expériences fondamentales de Pasteur ont démontré de manière indiscutable un lien de cause à effet entre les micro-organismes et la détérioration des aliments, et cette étape importante peut être considérée comme l' anniversaire de la microbiologie en tant que science.

Jalons plus récents dans l'histoire de la microbiologie

À mesure que la microbiologie s’est imposée comme discipline, une série d’inventions et de découvertes clés ont conduit à son expansion et à son application :

• En 1882, Robert Koch définit les postulats de Koch, qui sont les critères utilisés pour définir un lien de causalité entre une maladie et un micro-organisme spécifique.

• En 1884, Christian Gram a décrit un protocole de coloration, aujourd'hui appelé coloration de Gram en son honneur, qui distingue de larges classes de bactéries présentant des compositions membranaires cellulaires différentes. Ces deux classes de bactéries sont appelées « Gram-positives » et « Gram-négatives », et la coloration de Gram est aujourd'hui couramment utilisée en clinique et en recherche pour caractériser les bactéries.

• En 1892 , Dmitri Ivanowski Il a découvert le premier virus connu, le virus de la mosaïque du tabac. Jusqu'alors, tous les micro-organismes infectieux connus étaient des bactéries. La découverte d'un facteur infectieux beaucoup plus petit, qui s'est avéré n'être qu'un exemple parmi tant d'autres, a donc été révolutionnaire.

• En 1928 , Alexander Fleming découvrit la pénicilline , le premier antibiotique. La découverte fortuite de cette substance, produite naturellement par certaines moisissures, allait entraîner une explosion du nombre d'antibiotiques produits naturellement et artificiellement, désormais disponibles pour manipuler et contrôler la prolifération bactérienne.

• La dernière étape importante du XXe siècle est le séquençage du premier génome bactérien complet . En 1995, le génome d' Haemophilus a été identifié . influenzae , la bactérie responsable de la grippe, a été publiée par l' Institut de recherche génomique , offrant un aperçu sans précédent sur un microbe au niveau moléculaire.

Il est important de noter qu'à mesure que le monde de la microbiologie s'est développé, nous en avons appris davantage sur le rôle des microbes au-delà des préoccupations médicales ; par exemple, les effets positifs (fermentation) et négatifs (sécurité alimentaire) des micro-organismes dans l'industrie agroalimentaire . Ces découvertes sont facilitées en partie par la sophistication croissante des outils dont nous disposons pour identifier et décrire les microbes, comme expliqué plus en détail dans la section suivante.

L'expansion de la taxonomie des microbes

Aux débuts de la microbiologie en tant que discipline scientifique, les différents micro-organismes se distinguaient principalement par l'apparence physique des colonies qu'ils formaient sur les milieux de croissance. Par exemple, un organisme pouvait être décrit par la forme générale de la colonie, qu'elle soit ronde, filamenteuse, irrégulière ou rhizoïde. Les colonies pouvaient également être décrites en fonction de leur hauteur de croissance par rapport à la surface du milieu , également appelée élévation ; les modèles d'élévation courants incluent des colonies surélevées, plates ou convexes. Un troisième paramètre souvent utilisé pour décrire l'apparence des colonies est la forme de leurs bords, par exemple s'ils sont lisses (entiers) ou lobés .

La capacité d’observer la forme, la morphologie et bien plus encore des colonies microbiennes a été rendue possible par le développement de techniques de culture pure et la formulation de milieux de culture spécifiques. Les progrès ultérieurs ont permis de différencier et d'identifier les micro-organismes en fonction de leur métabolisme, et non plus seulement de leur apparence. Les taxonomistes ont mis à profit ce nouvel outil, et le nombre d'espèces connues est passé de quelques dizaines à des milliers, puis à des millions , et désormais potentiellement à des milliards . Ces outils de découverte améliorés ont permis d’accélérer non seulement l’ identification des espèces, mais aussi leurs conséquences sur la santé et les activités humaines, leur habitat naturel et les voies de contamination. À mesure que les technologies modernes continuent de se développer, elles peuvent imiter, accélérer et démocratiser cette expertise.

Conclusion

Pendant trois siècles , nous avons développé notre capacité à observer, caractériser et identifier les micro-organismes. La biologie moléculaire contemporaine et d'autres techniques analytiques avancées ont continué d' apporter un nouvel éclairage sur ces premières découvertes et continueront sans aucun doute de générer une masse d'informations nouvelles sur l'identité des micro-organismes et leurs interactions avec l'humanité et notre environnement.

L'eau est un composant essentiel d'une grande variété de procédés industriels. Elle peut être utilisée comme ingrédient dans un produit fini, comme agent nettoyant pour préparer des équipements ou des matériaux à leur utilisation ou réutilisation, et comme réactif à des fins d'analyse. Ses multiples utilisations rendent la qualité de l'eau importante pour évaluer la présence de micro-organismes. S'il est tentant de penser que l'eau n'est pas sujette à la contamination microbienne comme le sont des substrats plus riches en nutriments ou plus hospitaliers, ce n'est pas le cas : en effet, les micro-organismes peuvent se développer et se propager dans l'eau pure, voire ultra-pure.

Il existe plusieurs façons de Les micro-organismes qui se développent dans un système de purification d'eau peuvent affecter la qualité de l'eau. Par exemple :

• Ils produisent des métabolites indésirables tels que des pyrogènes, de l’ARNase et d’autres enzymes qui peuvent nuire au produit dans lequel l’eau est utilisée.

• Ils peuvent se développer à travers des filtres de 0,22 µm, ce qui nuit à la capacité des filtres à éliminer les micro-organismes de l’eau.

• À des titres suffisamment élevés , de nombreux micro-organismes peuvent former des biofilms très résistants à l’élimination, peuvent favoriser la croissance et la prolifération d’agents pathogènes et peuvent se détacher périodiquement et être libérés dans le courant d’eau, entraînant des pics soudains de contamination.

La contamination de l'eau affecte non seulement les techniques d'analyse utilisées, mais aussi les éléments et procédés secondaires tels que la préparation des milieux de culture et le nettoyage des équipements et de la verrerie. Il est donc important de surveiller la qualité de l'eau afin de garantir que sa propreté et ses niveaux de contamination microbienne sont acceptables pour l'usage prévu.

Exigences en matière de qualité de l'eau

De nombreux systèmes de purification d’eau sont surveillés en permanence pour une variété d’indicateurs de qualité de l’eau, et des alertes automatiques sont déclenchées par le système lorsque des niveaux inhabituels sont détectés.

Les paramètres utilisés pour définir le niveau de qualité d'eau acceptable peuvent varier selon la sensibilité de l'application et le niveau de qualité requis. L'eau utilisée en milieu industriel, clinique ou de laboratoire est généralement classée en trois types :

• L'eau de type 1, ou ultrapure, est le type le plus pur et convient à une utilisation dans la HPLC, la culture cellulaire, la spectroscopie de masse et d'autres applications qui nécessitent un très haut niveau de pureté.

• L'eau de type 2, ou pure, est généralement utilisée pour fabriquer des milieux, des tampons et d'autres solutions moins sensibles à la qualité de l'eau que celles énumérées ci-dessus.

• L'eau de type 3, ou de qualité primaire, peut être utilisée lorsque la propreté est requise mais que des niveaux élevés de précision ne le sont pas, comme pour le remplissage des bains-marie et le nettoyage de la verrerie.

Il est parfois difficile de comprendre que différentes normes de qualité de l'eau utilisent une terminologie similaire pour désigner des éléments légèrement différents. L'une des normes les plus utilisées est celle définie par ASTM International. La version la plus récente du document définissant ces normes, ASTM La norme D1193-06(2018) a été publiée en 2018. ASTM International définit la pureté de l'eau selon une échelle allant du type 1 au type IV, qui prend en compte divers facteurs tels que la conductivité, le pH et la teneur en minéraux. Elle fournit également une sous-norme qui évalue le niveau de contamination microbienne en fonction des quantités de bactéries hétérotrophes et d'endotoxines (un sous-produit bactérien) présentes dans l'eau.

L'autre échelle la plus couramment utilisée est la norme ISO 3696:1987 pour l'eau destinée aux laboratoires d'analyse, également mise à jour en 2018. L'échelle ISO définit les qualités d'eau des grades 1 à 3, le grade 1 étant le plus élevé. À l'instar des normes ASTM, la norme ISO évalue diverses propriétés de l'eau ; cependant, elle ne précise pas de niveaux appropriés ou tolérables de contamination microbienne pour les différentes qualités d'eau.

Processus de traitement de l'eau et surveillance de la qualité de l'eau

Des systèmes de purification utilisant différentes technologies de purification sont utilisés pour atteindre des niveaux de qualité de l'eau conformes aux normes décrites ci-dessus. Idéalement, le système de purification de l'eau traitera divers contaminants, tels que les minéraux, les composés organiques et les particules, ainsi que, bien sûr, les micro-organismes.

Pour éliminer spécifiquement la contamination microbienne de l’eau, un processus optimal de traitement de l’eau utilisera des techniques telles que :

• L'osmose inverse (OI) , qui force l'eau à travers une membrane avec de très petits pores qui bloquent le transit de la plupart des bactéries et des virus.

• La lumière ultraviolette, qui tue directement les bactéries et les virus (bien que cette approche n'élimine pas les micro-organismes tués de l'eau). Les lampes UV émettant une longueur d'onde de 185 nm génèrent de l'ozone à partir de l'oxygène, un oxydant qui tue les microbes, tandis que les lampes émettant à 254 nm ciblent l'ADN des virus, des champignons et des bactéries .

• Filtration, généralement avec un filtre de 0,22 µm, qui élimine les bactéries de la solution.

Maintenir un débit élevé en concevant la distribution d’eau purifiée via une boucle de recirculation est un moyen efficace de maintenir la qualité de l’eau. La prévention de la stagnation de l’eau limite la formation potentielle de biofilms .

Il est à noter que les systèmes d'échange, généralement à lit mixte, à usage unique ou régénérable, qui éliminent les ions chargés de la solution, n'ont aucun effet sur les microbes et peuvent même être, dans certaines circonstances, une source de prolifération microbienne .

Contrairement à d'autres contaminants comme les particules ou les minéraux dissous, l'élimination de la majorité des micro-organismes n'est pas une étape définitive, car des traces peuvent repeupler l'eau et générer des niveaux de contamination détectables. Ainsi, les systèmes devraient idéalement être surveillés en permanence pour détecter la présence de microbes afin de garantir que les différentes techniques appliquées maintiennent efficacement la teneur microbienne à des niveaux suffisamment bas pour ne pas avoir d'impact négatif sur le produit final.

Malheureusement, la plupart des systèmes de surveillance existants ne sont pas conçus pour évaluer la concentration de micro-organismes. Par conséquent, la nécessité d' entretenir en permanence les systèmes de purification de l'eau, et notamment de surveiller les concentrations microbiennes, peut représenter une charge considérable pour une organisation dynamique. Heureusement, il existe désormais des systèmes de surveillance autonomes, faciles à utiliser et ne nécessitant ni équipement spécialisé ni enregistrement manuel fastidieux. L'intégration d'un tel système à votre processus de purification de l'eau pourrait être la clé pour prévenir efficacement la prolifération de contaminants microbiens dans les réservoirs de stockage, les canalisations de distribution et autres équipements.

Conclusion

• La qualité de l’eau est essentielle pour de nombreuses applications et la contamination microbienne constitue une menace sérieuse pour la qualité de l’eau utilisée dans une gamme de processus industriels.

• La présence de micro-organismes dans un système de purification de l’eau peut avoir un impact sur la qualité de l’eau de plusieurs manières, comme la production de métabolites indésirables, l’altération de la fonction de filtration et la formation de biofilms.

• De nombreux indicateurs de qualité de l'eau actuellement utilisés peuvent être mesurés en continu par le système de purification d'eau et déclencher des alertes automatiques lorsque les niveaux dépassent les limites spécifiées. Cependant, la plupart des indicateurs couramment utilisés n'évaluent pas le niveau de contamination microbienne des systèmes de purification d'eau ; une approche alternative est donc nécessaire.

• Maintenir la propreté et la stérilité des systèmes de purification de l’eau, et surveiller les niveaux microbiens en particulier, peut être un fardeau pour une organisation très occupée.

• Des solutions de surveillance faciles à utiliser, autonomes, sans équipement et sans stylo sont désormais disponibles. Elles peuvent enregistrer et analyser les numérations microbiennes pour aider à prévenir la repousse microbienne dans les réservoirs de stockage et les canalisations de distribution.

La pasteurisation est le traitement d'un aliment ou d'une boisson pour le rendre propre à la consommation et en améliorer la durée de conservation. Contrairement à la stérilisation, qui utilise un traitement à haute température pour éliminer tous les micro-organismes, permettant ainsi une conservation indéfinie du produit à température ambiante, la pasteurisation est réalisée à des températures plus basses et vise à réduire la population microbienne globale à des niveaux acceptables, pouvant être maintenus à des températures réfrigérées.

L'objectif principal de la pasteurisation est de réduire la « biocharge » du produit. La biocharge est définie comme le nombre d'organismes contaminants présents dans une quantité donnée de matière avant la stérilisation ou la pasteurisation. Ces organismes peuvent inclure des bactéries, des levures et des moisissures, qui peuvent tous contribuer à la détérioration des aliments ou des boissons. Certains contaminants microbiens sont également pathogènes et peuvent provoquer des maladies en cas d'ingestion ; il est donc impératif de les éliminer des produits destinés à la consommation.

Micro-organismes courants résistants à la chaleur

Certains des micro-organismes les plus courants responsables de la contamination dans l'industrie alimentaire et des boissons sont bien connus, en raison d'épidémies et de rappels de produits, et comprennent, entre autres :

• La salmonelle , qui provoque la classique « intoxication alimentaire » et est liée à une propreté et une stérilisation inadéquates ;

• Clostridium botulinum , qui est souvent associé aux conserves mal conservées ; et

• Les bactéries coliformes telles que E. coli , qui sont généralement introduites par contamination fécale.

Il est important de connaître les types de microbes contaminants susceptibles d'être présents dans votre produit, car les micro-organismes présentent des degrés de sensibilité variables à la destruction par la chaleur. En général, les bactéries Gram positives sont plus résistantes à la chaleur que les bactéries Gram négatives, comme dans les trois exemples cités ci-dessus. Par conséquent, si votre produit a déjà été contaminé par des bactéries Gram positives, une pasteurisation plus intense peut être nécessaire. De même, les bactéries sporulées sont plus résistantes à la chaleur que celles qui n'en forment pas et nécessitent des températures plus élevées et/ou une pasteurisation plus longue pour être éliminées correctement.

Un autre facteur à prendre en compte est la nature du produit lui-même, car sa composition peut influencer la facilité ou la rapidité avec laquelle les contaminants microbiens sont éliminés. Par exemple, le pH d'une solution peut avoir un effet marqué sur la vitesse d'élimination des bactéries, la pasteurisation étant plus efficace à des pH élevés et faibles et moins efficace à des pH moyens. La présence d'huile, de matières grasses et d'autres substances dans le produit peut également affecter l'efficacité des processus de pasteurisation, d'où l'importance de concevoir un protocole de pasteurisation spécifique et adapté à votre produit.

Comment déterminer les paramètres de pasteurisation optimaux

Le principe de la pasteurisation consiste à réduire la charge microbienne de x logs par application de chaleur pendant une durée définie. Un paramètre clé dans la conception d'un procédé de pasteurisation est de déterminer la durée optimale d'application de chaleur nécessaire pour atteindre le niveau souhaité de destruction microbienne.

D'une manière générale, cette période est définie comme suit :

i) Le temps nécessaire pour réduire la charge biologique de l'organisme le plus résistant dans la solution de 1 log ; ou

ii) Le temps nécessaire pour réduire la charge biologique maximale dans le produit de 1 log.

iii) Nombre cible (N) de survivants après pasteurisation (N = 1, lorsque le nombre cible de survivants est de 0, comme dans l'exemple ci-dessus)

Une fois ce calcul effectué, il est important d'ajouter un facteur de sécurité (FS), qui correspond à une période de traitement supplémentaire au-delà de ce qui a été calculé comme strictement nécessaire, afin d'éviter toute contamination résiduelle. En règle générale, un FS de 6 log est considéré comme une stérilisation .

Lors de la sélection d'un SF cible, gardez à l'esprit qu'une valeur intermédiaire est probablement la meilleure, car viser un SF élevé peut entraîner une dégradation indésirable du produit ; dans le cas des produits alimentaires et des boissons, appliquer trop de chaleur ou trop longtemps peut affecter négativement leurs propriétés sensorielles, telles que la couleur, le goût et l'odeur.

Viser un SF trop élevé peut également réduire l'efficacité du procédé, car cela nécessite plus d'énergie et de temps qu'une étape de pasteurisation plus courte. En revanche, il est important de ne pas sous-estimer le SF optimal, car une application de chaleur insuffisante ou trop courte peut entraîner une contamination résiduelle du produit.

La meilleure façon de définir le SF approprié pour votre produit et de garantir que le processus de pasteurisation atteint son objectif est de surveiller le processus.

Suivi de l'efficacité de la pasteurisation

La surveillance des entrées et sorties du processus est essentielle pour garantir le bon fonctionnement des conditions de pasteurisation sélectionnées et éviter toute contamination imprévue tout au long du processus ou au fil du temps. Des tests réguliers de la chaîne de production à différentes étapes permettent d'obtenir un aperçu du niveau global de microbes dans le produit et de déclencher une alerte précoce en cas de problème imprévu.

La première étape consiste à surveiller et à enregistrer la charge microbienne du produit d'origine, non pasteurisé, afin de déterminer la quantité de microbes entrant dans le processus. Pour ce faire, nous recommandons de tester régulièrement les produits avant leur entrée dans le processus et de tenir un registre complet et détaillé de l'historique des données de prépasteurisation.

Une fois le processus de pasteurisation terminé, le produit doit être surveillé systématiquement afin de garantir que l'objectif de réduction de la charge microbienne a été atteint et que les paramètres sélectionnés sont toujours appropriés et efficaces. Comme pour les niveaux de pré-pasteurisation, il est important de conserver un enregistrement précis de ces valeurs afin d'avoir une vision complète de la performance du processus au fil du temps. Si le produit doit subir d'autres étapes après la pasteurisation, comme le conditionnement, il est conseillé de surveiller également l'environnement et les équipements de conditionnement afin de vérifier que le produit ne soit pas recontaminé après la pasteurisation.

Une surveillance régulière de l’environnement de production, des processus et des équipements est essentielle pour améliorer l’efficacité des processus et la conformité des produits, ainsi que pour garantir que vos processus industriels sont sûrs et produisent des produits de qualité constante.

Conclusion

• L'objectif de la pasteurisation est de réduire la charge microbienne d'un produit grâce à la destruction microbienne par la chaleur. Concevoir un procédé de pasteurisation optimisé contribuera non seulement à optimiser l'attrait du produit et à éviter sa détérioration, mais aussi à réduire le gaspillage de ressources.

• Lors de l’optimisation d’un processus de pasteurisation, gardez à l’esprit qu’un SF trop élevé peut détériorer inutilement le produit et/ou dégrader l’efficacité du processus, tandis qu’un SF trop faible peut entraîner une contamination résiduelle du produit.

• Il est important de vérifier régulièrement la charge biologique de pré-pasteurisation pour vérifier que l’étape de pasteurisation aura l’effet escompté.

• Il est essentiel de surveiller la propreté de l’environnement du processus et de l’équipement après la pasteurisation pour garantir que le produit ne soit pas recontaminé entre les étapes de pasteurisation et de remplissage.