Study of the diversity of algae and cyanobacteria colonising building façades in France and of the factors favoring their adhesion
Etude de la diversité des algues et des cyanobactéries colonisant les revêtements de façade en France et recherche des facteurs favorisant leur implantation
Résumé
Building façades sometimes show green, red or blackish developments of biological origin. That kind of stainings create aesthetic damages of the building envelope and can induce, with time, a degradation of the colonised façade coating leading to high renovation costs. Biocide products incorporated into the coatings are actually a common way to fight against biological contamination. However, European regulations tend to restrict their use, which involves the need for development of effective and durable coatings, respecting the environment.
Microscopic algae and cyanobacteria forming façade biofilms are little known in France. So the first approach of this project consisted in sampling colonised façade coatings around France to identify constitutive micro-organisms. 22 algae species and 25 cyanobacteria species were identified in the 71 samples analysed, algae being dominant on all kinds of materials.
The factors favouring micro-organisms settlement and development were then investigated. A statistical treatment of environmental data gathered during the sampling campaign showed the importance of climatic factors leading to humidity on façades, factors favouring spores dissemination, as wind or vegetation proximity, as well as the importance of the nature of the colonised substrate. This last observation was deepened thanks to the use of a bench allowing simultaneous evaluation of different coating materials regarding their colonisation by algae and cyanobacteria strains isolated from façades. Factors such as porosity, roughness and surface pH of the materials showed to influence micro-organisms colonisation.
In parallel, in order to consider the development of materials disfavouring micro-organisms settlement, the adhesion mechanisms of a set of algae on model surfaces were investigated in a parallel plate flow chamber. The adhesion extent was weaker on hydrophilic surfaces. Experiments also showed that hydrophobic and electrostatic interactions were initiated during the adhesion process.
Finally, extracellular polymers produced by a selection of micro-organisms were analysed. They were of polysaccharide nature, anionic and more or less hydrophobic depending on the secreting strains. The adsorption of a polymer extracted from a strain of Klebsormidium flaccidum, the dominant alga on façades in France, was more important and stronger on hydrophobic surfaces rather than on hydrophilic ones. Furthermore, an enzymatic degradation of the same polymer tended to reduce the adhesion of K. flaccidum on hydrophobic surfaces. These observations confirmed the hypothesis by which extracellular polymers intervene during the contact phase of the micro-organism with the surface, and then during the adhesion consolidation, by initiating hydrophobic and probably electrostatic interactions.
Microscopic algae and cyanobacteria forming façade biofilms are little known in France. So the first approach of this project consisted in sampling colonised façade coatings around France to identify constitutive micro-organisms. 22 algae species and 25 cyanobacteria species were identified in the 71 samples analysed, algae being dominant on all kinds of materials.
The factors favouring micro-organisms settlement and development were then investigated. A statistical treatment of environmental data gathered during the sampling campaign showed the importance of climatic factors leading to humidity on façades, factors favouring spores dissemination, as wind or vegetation proximity, as well as the importance of the nature of the colonised substrate. This last observation was deepened thanks to the use of a bench allowing simultaneous evaluation of different coating materials regarding their colonisation by algae and cyanobacteria strains isolated from façades. Factors such as porosity, roughness and surface pH of the materials showed to influence micro-organisms colonisation.
In parallel, in order to consider the development of materials disfavouring micro-organisms settlement, the adhesion mechanisms of a set of algae on model surfaces were investigated in a parallel plate flow chamber. The adhesion extent was weaker on hydrophilic surfaces. Experiments also showed that hydrophobic and electrostatic interactions were initiated during the adhesion process.
Finally, extracellular polymers produced by a selection of micro-organisms were analysed. They were of polysaccharide nature, anionic and more or less hydrophobic depending on the secreting strains. The adsorption of a polymer extracted from a strain of Klebsormidium flaccidum, the dominant alga on façades in France, was more important and stronger on hydrophobic surfaces rather than on hydrophilic ones. Furthermore, an enzymatic degradation of the same polymer tended to reduce the adhesion of K. flaccidum on hydrophobic surfaces. These observations confirmed the hypothesis by which extracellular polymers intervene during the contact phase of the micro-organism with the surface, and then during the adhesion consolidation, by initiating hydrophobic and probably electrostatic interactions.
Certaines façades présentent des développements verts, rouges ou noirâtres, d'origine biologique. Ces salissures nuisent à l'aspect esthétique du bâtiment et peuvent entraîner à long terme une dégradation structurale du revêtement colonisé. Ce développement biologique peut ainsi engendrer des frais liés au ravalement ou, à plus long terme, à la rénovation de la façade. Des biocides incorporés dans les revêtements permettent actuellement de retarder l'implantation des organismes incriminés. Cependant, les dernières réglementations européennes tendent à restreindre l'utilisation de ces produits, ce qui nécessite la mise au point de matériaux efficaces et durables, de surcroît compatibles avec l'environnement.
Paradoxalement, les algues microscopiques et les cyanobactéries constituant ces biofilms sont peu connues en France. La première approche de ce projet a donc consisté à prélever des fractions de revêtements de façade colonisés afin d'identifier les micro-organismes s'y développant. 22 espèces d'algues et 25 espèces de cyanobactéries ont ainsi été observées dans les 71 prélèvements analysés, les algues étant dominantes sur tous types de matériaux.
Les facteurs favorisant l'implantation et le développement de ces micro-organismes ont ensuite été étudiés. Un traitement statistique des données environnementales recueillies lors de la campagne d'échantillonnage a ainsi mis en évidence l'importance des facteurs climatiques liés à l'humidité, des facteurs permettant la dissémination des spores, tels que le vent ou la proximité de végétation, ainsi que l'importance de la nature du support colonisé. Cette dernière observation a pu être approfondie grâce à l'utilisation d'un banc d'essai permettant l'évaluation simultanée de différents matériaux quant à leur colonisation par des algues et des cyanobactéries isolées en façade au cours de cette étude. Ces essais ont montré que des facteurs tels que la porosité, la rugosité et le pH de surface des matériaux influent sur la colonisation par ces micro-organismes.
En parallèle, afin d'envisager le développement de matériaux défavorisant l'accroche des micro-organismes, les mécanismes d'adhésion d'une sélection d'algues sur des surfaces modèles ont été étudiés à l'aide d'une cellule à flux laminaire. Les surfaces hydrophiles ont provoqué le plus faible taux d'adhésion. L'exploitation de ces résultats a également mis en évidence l'initiation d'interactions hydrophobes et électrostatiques lors du processus d'adhésion.
Finalement, les polymères extracellulaires produits par une sélection de micro-organismes isolés en façade ont été analysés. Ils ont ainsi montré être de nature polysaccharidique, anionique et plus ou moins hydrophobe selon les souches les sécrétant. L'adsorption d'un polymère d'une souche de Klebsormidium flaccidum, algue verte dominante en façades en France, a été plus importante et plus forte sur des surfaces hydrophobes que sur des surfaces hydrophiles. En outre, la dégradation enzymatique des polymères de cette même souche tend à diminuer l'adhésion sur surface hydrophobe. Ces observations confirment donc l'hypothèse d'une intervention des polymères extracellulaires dans l'étape de contact du micro-organisme avec une surface, puis lors de l'étape de consolidation de cette adhésion, par le biais d'interactions hydrophobes et sans doute électrostatiques.
Paradoxalement, les algues microscopiques et les cyanobactéries constituant ces biofilms sont peu connues en France. La première approche de ce projet a donc consisté à prélever des fractions de revêtements de façade colonisés afin d'identifier les micro-organismes s'y développant. 22 espèces d'algues et 25 espèces de cyanobactéries ont ainsi été observées dans les 71 prélèvements analysés, les algues étant dominantes sur tous types de matériaux.
Les facteurs favorisant l'implantation et le développement de ces micro-organismes ont ensuite été étudiés. Un traitement statistique des données environnementales recueillies lors de la campagne d'échantillonnage a ainsi mis en évidence l'importance des facteurs climatiques liés à l'humidité, des facteurs permettant la dissémination des spores, tels que le vent ou la proximité de végétation, ainsi que l'importance de la nature du support colonisé. Cette dernière observation a pu être approfondie grâce à l'utilisation d'un banc d'essai permettant l'évaluation simultanée de différents matériaux quant à leur colonisation par des algues et des cyanobactéries isolées en façade au cours de cette étude. Ces essais ont montré que des facteurs tels que la porosité, la rugosité et le pH de surface des matériaux influent sur la colonisation par ces micro-organismes.
En parallèle, afin d'envisager le développement de matériaux défavorisant l'accroche des micro-organismes, les mécanismes d'adhésion d'une sélection d'algues sur des surfaces modèles ont été étudiés à l'aide d'une cellule à flux laminaire. Les surfaces hydrophiles ont provoqué le plus faible taux d'adhésion. L'exploitation de ces résultats a également mis en évidence l'initiation d'interactions hydrophobes et électrostatiques lors du processus d'adhésion.
Finalement, les polymères extracellulaires produits par une sélection de micro-organismes isolés en façade ont été analysés. Ils ont ainsi montré être de nature polysaccharidique, anionique et plus ou moins hydrophobe selon les souches les sécrétant. L'adsorption d'un polymère d'une souche de Klebsormidium flaccidum, algue verte dominante en façades en France, a été plus importante et plus forte sur des surfaces hydrophobes que sur des surfaces hydrophiles. En outre, la dégradation enzymatique des polymères de cette même souche tend à diminuer l'adhésion sur surface hydrophobe. Ces observations confirment donc l'hypothèse d'une intervention des polymères extracellulaires dans l'étape de contact du micro-organisme avec une surface, puis lors de l'étape de consolidation de cette adhésion, par le biais d'interactions hydrophobes et sans doute électrostatiques.