Elaboration de revêtements pour matériaux de construction visant à lutter contre la prolifération microbienne à l'intérieur des bâtiments : efficacité et mode d'action

Development of coatings for indoor building materials in order to fight againts microbial growth inside buildings : efficiency and mechanisms

• Auteur / Autrice : Thomas Verdier
• Direction : Alexandra Bertron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 25/11/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions [Toulouse]

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microorganismes

Construction -- Matériaux

Photocatalyse

Mots clés libres

Photocatalyse

Prolifération microbienne

Matériaux de construction

Revêtements antimicrobiens

Ester de glycérol

Photocatalysis

Microbial growth

Building materials

Antimicrobial coatings

Glycerol esters

Résumé

Ces travaux s'appuient sur un contexte de santé lié à la dégradation de la qualité de l'air intérieur induite par la présence de micro-organismes. Dans les environnements intérieurs humides, les matériaux de construction sont des cibles de contamination et de prolifération microbienne importantes. La photocatalyse est un procédé de dépollution qui présente une action contre une large gamme de polluants organiques (aqueux, gazeux ou biologiques). Son principe repose sur l'excitation d'un photocatalyseur par une irradiation lumineuse, généralement située dans les UV, qui va permettre de dégrader les polluants environnants par une succession de réactions d'oxydo-réduction. Le photocatalyseur le plus courant est le dioxyde de titane (TiO2). Outre la production d'espèces oxydo-réductrices agressives, le TiO2 illuminé présente également un caractère super-hydrophile qui lui confère un caractère autonettoyant intéressant. Une autre solution est envisagée pour lutter contre la prolifération microbienne sur matériaux de construction : l'utilisation de molécule bio-sourcées d'ester de glycérol aux propriétés naturellement antimicrobienne. L'objectif de cette étude est de développer des revêtements pour matériaux de construction intérieurs et d'étudier leur propriété de résistance à la prolifération microbienne et les modes d'action de ces dispositifs passifs formulés soit à base de particules de TiO2, soit à base d'ester de gycérol. Dans un premier temps, un travail de développement et de mise en œuvre de dispositifs expérimentaux a été nécessaire afin d'adapter des méthodes d'évaluation microbiologiques sur ces matériaux particuliers (particules, lasures, matériaux cimentaires). Ainsi, plusieurs essais ont été adaptés afin d'évaluer les performances antimicrobiennes en terme (i) d'activité antibactérienne, (ii) d'effet bactéricide, (iii) de résistance à la formation de biofilm et (iv) de résistance à la prolifération par contamination '' naturelle ''. Les premiers essais visent à mettre en évidence l'impact des facteurs méthodologiques sur l'activité antibactérienne des particules de TiO2 utilisées seules comme agent désinfectant. Dans un deuxième temps, des lasures photocatalytiques sont formulées sur la base de travaux antérieurs ayant montrés de bonnes efficacités de dépollution de l'air contre les NOx, NO et différents COV. Une fois les paramètres d'influence de l'activité du TiO2 mis en exergue, les lasures ont été testées dans des conditions optimales. Le développement d'un essai de résistance à la prolifération de biofilm montre l'importance de coupler différentes méthodes d'évaluation microbiologique (dénombrement des UFC et observation au microscope à épifluorescence). La dernière partie de cette étude explore le potentiel antimicrobien de la molécule d'ester de glycérol, sous-produit de la synthèse de biocarburant. La molécule montre des propriétés antibactériennes et bactéricides puissantes en quelques minutes de contact seulement. Elle présente également une protection très efficace contre la prolifération microbienne une fois recouverte sur matériaux de construction (placo-plâtre). Ces performances remarquables encouragent la poursuite des études sur cette molécule.

This work is included in a health-related context: the degradation of the indoor air quality induced by the presence of microorganisms. In damp environments, indoor building materials are among the main proliferation substrates for microorganisms. Photocatalysis is a decontamination process which is active against a wide range of organic pollutants (aqueous, gaseous or biological). The principle is based on the excitation of a photocatalyst by light irradiation, usually located in the UV-range, which leads to the degradation or mineralization of surrounding pollutants through a series of oxidative reactions. The most common photocatalyst is titanium dioxide (TiO2). In addition to produce aggressive redox species, the illuminated TiO2 also shows super-hydrophilicity, which has an impact on the first step of microbial biofilm formation: the adhesion of microorganisms. Another technology to protect indoor building materials is explored: the use of glycerol esters, which are bio-based molecules with inherent antimicrobial properties. The main objective of this study is to develop semi-transparent coatings for indoor building materials and to study the resistance to microbial growth conferred by these passive devices, which are formulated using TiO2 nanoparticles or glycerol esters. Initially, the development and implementation of experimental devices has been necessary to adapt microbiological evaluation methods to these particular materials (nanoparticles, surface coatings, cementitious materials). Thus, several tests have been carried out in order to assess the antimicrobial performances in terms of (i) antibacterial activity, (ii) bactericidal effect, (iii) resistance to biofilm formation and (iv) resistance to proliferation by ''natural'' contamination. First tests aimed to underline the influence of methodological parameters on the efficiency of TiO2 particles used alone as antimicrobial agent. Then, semi-transparent coatings were formulated on the basis of previous works which have shown good efficiencies on the depollution of ambient air from NOx, NO and VOC. Once the parameters that influence TiO2 activity were identified, coatings were tested in optimum conditions. The evaluation of the resistance to biofilm formation shows the importance of overlapping different microbiological evaluation methods (e.g. CFU counting and epifluorescence observations). The last part was an exploratory work on the antimicrobial properties of a glycerol ester molecule, by-product from the synthesis of biofuels. The molecule shows potent antibacterial and bactericidal properties, several log of inactivation within only few minutes of contact. It also provides very effective protection against microbial growth once covered on building materials (plasterboard). These remarkable performances encourage further studies on this molecule.