Balai UV-C germicide DIY

L’aquariophilie utilise les lampes à ultraviolets pour détruire les germes (bactéries, virus, vers, parasites…) pathogènes. Il s’agit habituellement de traiter l’eau de l’aquarium pour éradiquer les organismes pélagiques, en suspension dans la colonne d’eau. Le balai DIY exposé ici permet de traiter les organismes benthiques qui occupent les substrats : les roches du décor ou le sable du fond. Cet article en détaille la réalisation.

1. Les rayons ultraviolets (UV)

Les avantages du traitement par rayonnement UV sont connus. Pour mémoire, le soleil émet 5 % de son rayonnement sous forme d’ondes UV (les ultraviolets) plus courtes que la lumière violette du spectre visible. Les rayons UV de 390 à 100 nm, se déclinent en UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) et UV-C (280-100 nm). La couche d’ozone laisse passer essentiellement des UV-A et une petite proportion d’UV-B. S’ils sont nécessaires en petite quantité pour l’homme, ils sont dommageables en exposition prolongée, et l’humain doit s’en protéger avec des lunettes, des crèmes protectrices… Plus la longueur d’onde du rayonnement UV est courte, plus elle a d’énergie, et plus elle est dangereuse pour les organismes, c’est dire que les UV-C sont très dangereux. Leur usage impose de s’en préserver par tout moyen.

2. Résistance des microorganismes marins

Les UV-C agissent sur les acides nucléiques (ADN/ARN) de la plupart des cellules (bactéries, virus, protozoaires…). Ils endommagent le matériel génétique des microorganismes les empêchant de se reproduire et/ou d’assurer une partie de leur fonction métabolique. On parle d’inactivation du microorganisme. L’UV-C détruit les microorganismes avec un pic d’efficacité vers 257 nm, longueur d’onde des lampes destinées à la stérilisation.

Bien que naturellement non exposés aux UV-C et donc sans défense naturelle, les microorganismes marins résistent plus ou moins selon leurs mécanismes de réparation de l’ADN, de la production de pigments protecteurs, de leurs structures protectrices et de leur production d’antioxydants.

Les virus, les bactéries pathogènes communes et certains champignons sont plus vulnérables. Les microorganismes tels que les dinoflagellés, ostracode, nématodes ont une résistance à peine meilleure. Les mécanismes de protection (exosquelettes, pigments protecteurs) et de réparation de la méiofaune benthique (amphipodes, copépodes…), bien que plus performants, n’assurent apparemment pas une résistance suffisante pour les protéger complètement contre une exposition à peine plus intense.

2.1. Dose d’inactivation

Les dinoflagellés peuvent éprouver des difficultés à se reproduire lorsqu’ils sont exposés à une dose de rayons UV suffisamment élevée pour causer des dommages et inhiber la reproduction, mais pas au point de provoquer leur mort immédiate. Cette dose non létale est dite d’inactivation. Cela peut se manifester par une réduction du taux de division cellulaire, des anomalies dans le processus de mitose, ou des mutations qui inhibent leur capacité à produire des descendants viables.

L’effet exact dépend de plusieurs facteurs, tels que l’espèce du dinoflagellé, la durée d’exposition, l’intensité des UV, et la capacité des cellules à à réparer les dommages causés par les UV-C. Cependant ce dosage peut ne pas être totalement efficace pour plusieurs raisons :

• Effet limité : L’irradiation UV à une dose non létale peut inhiber la reproduction de certains dinoflagellés, mais elle ne les tue pas directement. Cela signifie que les dinoflagellés irradiés peuvent survivre et, dans certains cas, récupérer avec le temps, ce qui limiterait l’efficacité de la méthode pour réduire leur population de manière significative.
• Réparation de l’ADN : Certaines espèces de dinoflagellés ont des mécanismes de réparation de l’ADN assez robustes, ce qui pourrait leur permettre de se remettre des dommages causés par l’exposition aux UV et de recommencer à se reproduire.
• Hétérogénéité de l’exposition : Il est difficile de garantir que tous les dinoflagellés reçoivent une dose uniforme de rayons UV. Certains peuvent être exposés à des doses insuffisantes pour affecter leur reproduction, tandis que d’autres peuvent être surexposés, ce qui complique la gestion de leur population.

Je n’ai pas trouvé d’étude spécifique sur la dose d’inactivation des dinoflagellés. Elle pourrait être de l’odre de 10 J/m² maximum.

Dose létale

La quantité d’énergie UV-C nécessaire pour tuer, dépend du type de microorganisme. Il existe peu de données exploitables en aquariophilie marine. On pourra retenir les approximations les doses suivantes :

• Champignons, bactéries : 10 à 200 J/m². La règlementation française impose 205 J/m² pour la potabilisation de l’eau.
• Virus : environ 50  J/m².
• Protozoaires : 50 à 200 J/m².
• Vers parasites, nématodes : 200 à 1000 J/m²
• Algues vertes, brunes : de 50 à 3000 J/m²

2.3.Effets secondaires

L’exposition aux UV pourrait affecter d’autres organismes présents dans l’environnement, en perturbant les écosystèmes aquatiques et en causant des dommages à des espèces non ciblées, y compris des micro-organismes bénéfiques.

L’usage montre que ces effets sont tolérables. Selon la méthode décrite, le déséquilibre bactérien n’affecte pas la dénitrification ni la résistance des coraux. La microfaune et méiofaune ne semble pas atteinte au point d’affecter son impact sur le fonctionnement de l’aquarium.

3. Objectifs et principes du "balai UV"

L’objectif initial est de traiter sous rayonnement UV-C, les dinoflagellés qui se regroupent au fond de l’aquarium, notamment sur le sable, au plus fort de l’éclairement dans la journée, tels que les genres Amphidinium, Prorocentrum et en partie Ostreopsis.

Le principe, initialement proposé et commenté par Moe Kayed dans le groupe Facebook Mack’s reef…Dinoflagellates support group! est d’exposer les organismes benthique à une lampe UV-C que l’on balaye sur le fond de l’aquarium, par étapes durant lesquelles on l’immobilise quelques secondes, et de répéter ce scénario sur toute la surface et plusieurs jours.

L’irradiation UV-C n’atteint pas les organismes enfouis. Ainsi, ce traitement n’assure pas d’éradiquer définitivement les cellules, mais s’il les réduit progressivement, ce n’est pas négligeable. Il a l’avantage de ne pas introduire de produits chimiques parfois contestables. Son usage superficiel et local ne devrait pas non-plus déstabiliser notablement la méiofaune benthique. La faune bactérienne non atteinte occupera vite de nouveau le terrain perdu.

4. Offre commerciale et DIY

Cet type d’équipement est proposé aux US par la société  3DReefing. Celle-ci peut maintenant livrer en Europe, pour un tarif très modique, en commandant sur sa page de commandes destinées à l’international, les accessoires : le boitier et l’extension. Pour obtenir le balai complet, il suffit de commander en VPC, pour une quinzaine d’euros, une lampe UV-C 11 ou 13 W, longueur 23 cm avec prise EU 230V (ci-contre) adaptable au boitier.

Le concepteur Moe Kayed propose une video du mode d’emploi ainsi que les fichiers pour impression 3D Sand Bed UV Sweeper by 3DReefing sous licence Creative Commons (non commerciale).

5. Réalisation DIY

Aucun équipement n’étant disponible au moment de mes tests sur le marché européen, j’ai bricolé le mien.

5.1. Choix de réalisation

Pour un volume de 1000 litres j’ai souhaité traiter la plus grande surface possible. L’encombrement doit cependant permettre d’accéder entre les éléments du décor. L’appareil doit être maniable, léger et permettre de s’approcher au plus près du décor, voire sous les roches.

Je soumets ici une version de mon prototype réalisé en partie avec de la tuyauterie PVC et quelques pièces en impression 3D. Le balai UV-C est constitué d’un carter d’encombrement de longueur 247  mm, largeur 70 mm et 37 mm de hauteur, et d’un manche, en deux parties emboitées de 400 mm, pouvant s’orienter selon le besoin.

5.2. Composants

Reconnaissant envers Moe Kayed, concepteur du système, pour sa communication, et respectueux de ses efforts de développement et de commercialisation, je me limiterai ici à la description de ma réalisation, sans fichier d’impression 3D.

Le PETG est préférable pour sa meilleure tenue aux UV (carter, embouts) et indispensable pour les éléments mécaniques sollicités (vis, écrou, serre-câble).

Composants du Balai UV

Composant	Couleur
Lampe UV-C :   pour traiter l’aquarium de 1000 litres, j’ai opté pour un modèle 13 W, 230 V, longueur 240 mm, étanche IP68. C’est un compromis entre surface traitée et encombrement pour passer entre le décor. Une lampe de 11, 9 ou 7 W pourra convenir pour un aquarium plus petit. L’efficacité sera la même, la surface traitée à chaque application seulement plus restreinte. Le câble 1,80 m, un peu court pour 63 cm de hauteur d’eau, avec prise EU est doté d’un interrupteur marche / arrêt. La durée de vie d’une lampe, de 3500 à 10000 heures n’est évidemment pas un point critique.
Carter : réalisé à partir d’un tube évacuation PVC 40 mm ép. 2 mm. Il est scié sur la longueur, ramolli au pistolet à air chaud, puis conformé en V pour s’insérer dans les deux flasques latéraux ci-dessous. J’ai préféré utiliser un tube PVC, facilement disponible et économique plutôt qu’une longue impression 3D.
Deux embouts : un (fichier Embout.STL) pour fermer un bout du carter. un fichier Embout-fil.STL avec une bride percée pour fixer la canne de maintien. Le carter est pincé et collé à la colle cyanoacrylate dans les rainures. Ils assurent le maintien de la lampe UV en position. Impression 3D : PETG, qualité 0,3 mm ; face pleine sur plateau ; sans support.
Carter alternatif : option remplaçant le carter et les embouts ci-dessus. Impression 3D : PETG, qualité 0,3 mm ; ouverture sur plateau ; sans support ; 9 h à 80 mm/s
Manchon : pour insérer le manche de maintien. Impression 3D : PETG ; qualité 0,3 mm ; ouverture sur plateau ; sans support.
Vis M8 de serrage : maintien le manche en position inclinée. Impression 3D : PETG ; qualité 0,3 mm ; tête de vis sur plateau ; sans support.
Ecrou M8 moleté. Impression 3D : PETG ; qualité 0,3 mm ; molette sur plateau ; sans support.
2 Manches de maintien un premier tube PVC électricité IRL diamètre 16×14 mm longueur 350 mm est emmanché et coulisse dans le second tube. un second tube PVC rond diamètre 18 x 16 mm longueur 400 mm (magasin de bricolage) lui-même bloqué (collé) dans le manchon.
3 fixe-câbles : pour le maintien du câble électrique Impression 3D : PETG ; qualité 0,3 mm ; sans support.
Joint plat élastomère : diamètre 24 x 8 mm ép. 1 mm. Placé entre la bride et le manchon il améliore le coefficient de frottement et maintien plus facilement le manche en position inclinée par un serrage modéré des vis et écrou en plastique. Un élastomère SBR ou mieux EPDM convient au contact d’eau de mer. On pourra également découper le joint dans une chambre à air en élastomère butyl qui convient tout autant.
Connecteur étanche IP68 : Afin d’augmenter la longueur du fil en amont de l’interrupteur en présence d’aquariums de grande hauteur. La référence LD12 ci-contre, pour câble électrique diamètre 3 à 6,5 mm, s’avère étanche à l’usage.

6. Mode d’emploi

6.1. Sécurité

Les UV-C présentent des risques particulièrement importants pour tout individu du monde vivant : humains, animaux et algues, même en utilisation occasionnelle. Il convient de respecter impérativement quelques règles.

• Ne jamais exposer les yeux. Ils sont particulièrement sensibles aux rayons UV. Une exposition de quelques secondes peut provoquer des affections temporaires : conjonctivite et photokératite douloureuse  Pour ce, utiliser, non pas des lunettes de soleil, même classe 4 ni UV400 qui ne filtrent pas suffisamment, mais des lunettes spécifiquement prévues contre les UV-C.
• Opérer en l’absence de toute autre personne ou animal de compagnie.
• Eviter les expositions à la lumière directe voire celle réfléchie. La peau est sensible une exposition légère peut provoquer un érythème, des rougeurs de type coup de soleil, et affecter le système immunitaire après des expositions répétées. Utiliser des vêtements couvrants (manches…).
• Eteindre la lampe avant déplacement.
• Appliquer la lampe totalement sur le fond avant son allumage.
• Ménager les poissons ainsi que toute la faune et la végétation non concernées par le traitement.

6.2. Durée d’exposition du balai sur chaque surface à traiter

Le mode de traitement UV-C peut prendre deux options :

• Désactiver la reproduction des dinoflagellés : la durée d’exposition est courte, la durée du traitement plus longue, présente un moindre risque de tuer la méiofaune.
• Tuer les dinoflagellés : la durée d’exposition plus longue dans un traitement plus court permet d’assurer plus rapidement une forte mortalité au risque de tuer une partie de la méiofaune.

6.2.1 Durée de désactivation des dinoflagellés

Selon les retours d’aquariophiles, une exposition de l’ordre de 10 à 20 secondes avec des lampes bon marché, permettrait d’atteindre l’objectif de désactivation/stérilisation des cellules. Les dinofflagellés atteints n’étant pas en mesure de se reproduire dans les jours qui suivent, leur poulation diminue au fil du temps. Un balayage régulier, très lent de la lampe au dessus du sable semble suffire pour éradiquer l’invasion en moins d’un mois.

6.2.2 Durée d’exposition létale

6.2.2.1. Durée létale théorique

Les microorganismes marins ne peuvent mourir qu’après une exposition à une dose létale d’irradiation UV-C. Cette dernière dépend de la radiation inhérente au matériel et de la durée que l’on doit adapter en conséquence. Passons en revue les divers paramètres en jeu avec la lampe UV 13 W décrite ci-dessus comme exemple.

• Puissance lumineuse (W) émise par la lampe. Elle dépend de deux facteurs :
  • Rendement lumineux de la lampe. Environ 30 % de la puissance électrique est transformée en lumière. Ainsi une lampe de 13 W électrique délivre 13 x 0,30 = 3,9 W de lumière.
  • Proportion de lumière utilisée : le tube illumine sur 360° mais n’éclaire directement que suivant un angle de 110° permis par le carter, soit 30 % de l’éclairement total.

  Ainsi, du tube UV-C de 13 W nous exploitons une puissance lumineuse de 13 W x 0,30 x 0.30 = 3,9 x 0,30 = 1,17 W.

• Irradiation atténuée (I) : elle dépend de la puissance lumineuse répartie sur la surface éclairée, atténuée par la transparence de l’eau.
  • Surface éclairée :
    La lumière directe issue du tube UV-C, sur une longueur de 15 cm, couvre une largeur de 5 cm soit une surface de 15 x 5 cm soit 0,0075 m² .
  • Irradiation initiale : (I₀) est 1,17 W / 0,0075 m² = 156 W/m².
  • Atténuation
    L’irradiation (I_x) atténuée du faisceau initial (I₀) à la distance (x) peut s’évaluer par la loi de Beer-Lambert (I_x)  = I₀.e^-kx .
    Le coefficient d’atténuation (k) pour une eau relativement cristalline est de l’ordre de 0,2 cm⁻¹ (20 m⁻¹).
    La distance (x) de la source de lumière à l’organisme avec cet équipement est en moyenne 1,7 cm (0,017 m).

  Dans notre cas, l’irradiation atténuée est donc (I_1,7 cm) = 156 x e^-0.2×1,7 = 156 x 0,71 = 111 W/m².

• Dose létale (D) : Elle est le produit de l’irradiation par la durée d’exposition. L’effet létal peut donc être obtenu par une irradiation faible et longue ou plus forte et courte. Concernant les dinoflagellés dont la biomasse est nettement supérieure à une bactérie, la liste citée auparavant permet de viser une dose létale cible 1000 J/m^2.
• Temps d’exposition létal (t) : la durée d’exposition minimale pour atteindre la dose d’irradiation létale dépend de la dose létale divisée par l’irradiation. Le temps d’exposition en secondes est t (s) = D​ (J/m²) / I(x) W/m².
  Soit dans notre cas pour des dinoflagellés t = 1000 J/m² / 111 W/m² = 9 s.
  Des temporisations de dix secondes devraient théoriquement suffire. Il s’agit là d’une approximation.

6.2.2.2. Vérification pratique de la durée d’exposition létale

Les premières observations au microscope ont déterminé qu’une exposition de 10 à 20 secondes n’affecte en rien les dinoflagellés à court terme. Les caractéristiques de la lampe seraient-elles erronées, ou bien les dinoflagellés plus résistants ?

La durée létale a donc été déterminée expérimentalement au microscope après plusieurs durées d’exposition. Le prélèvement liquide déposé sur la lamelle du microscope a été irradié hors eau, en trois endroits du tube : au milieu (A), en position intermédaire (B) et en bordure du tube UV-C (C). Le taux de mortalité a été évalué approximativement sur plusieurs tests reproduits.

La figure montre qu’une durée d’exposition de 2 minutes est finalement nécessaire pour garantir un taux de mortalité de 90 % mini en tous points du tube. J’ai pu noter qu’à cette exposition, des organismes plus gros tels que des nématodes et ostracodes sont restés en vie.

Après exposition de 2 minutes au point B, l’observation au microscope dévoile que les cellules sont devenues inertes à plus de 95%.

6.3. Fréquence du traitement

Contrairement à un traitement biocide tel que le chlore, l’UV n’a pas d’effet de rémanence. C’est à dire que si le matériel génétique du microorganisme est peu endommagé, il aura la capacité de le réparer et alors se multiplier à nouveau. D’où l’intérêt de respecter une durée d’exposition suffisante (selon le choix de désactiver ou de tuer les dinoflagellés) plutôt que plusieurs trop courtes qui resteront sans effet.
Par ailleurs les microorganismes non directement éclairés, protégés par des grains de sable, ne sont pas exterminés. Tous les organismes visés ne seront donc pas atteints. Il faut renouveler le traitement plusieurs fois selon le niveau d’infestation.

7. Test sur les dinoflagellés

Le dinoflagellé du genre Prorocentrum a la particularité de se regrouper sur le fond du bac (sur le sable, mais pas dans le sable). Les regroupements forment alors des taches sombres très visibles. Prorocentrum sp. est un bon candidat pour ce type de traitement. Les observations au microscope dévoilent également sur le sol une forte quantité de cellules d’Ostréopsis sp.

7.1. Le matériel

Le modèle 13 W s’avère nécessaire pour traiter la surface d’une cuve de 1000 litres. Une lampe à deux tubes pourrait être envisagée. Les manœuvres autour du décor aéré ne sont pas toujours faciles, mais possibles. La forme du carter en V permet de bien s’en approcher. La longueur du fil est un peu courte pour un aquarium de 63 cm de hauteur d’eau. J’ai ajouté une rallonge avec connexion IP68. La canne de maintien emmanchée et l’articulation s’avèrent pratique. Le carter couvre bien le sol sableux de telle sorte qu’il n’en sort aucun rayon. Associé à l’interrupteur, le risque d’exposition aux radiations UV-C s’avère finalement très faible. Cela ne doit pas altérer notre vigilance.

7.2. Utilisation

S’assurer que l’installation électrique est aux normes et dispose notamment de sécurité indispensable pour protéger l’humain (interrupteur différentiel).

1. Opérer au plus fort du développement des dinoflagellés, c’est à dire en milieu d’aprés midi, avant que la lumière décline.
2. Avant de procéder à la désinfection du sol, évacuer les dinoflagellés des supports, avec une pompe. Procéder de manière inverse contribuerait à recoloniser le sol trop rapidement.
3. Appliquer la lampe sur les taches et l’allumer :
   • durant 20 secondes pour les désactiver (non testé)
   • durant 2 minutes minimum pour tuer un maximum de dinoflagellés

   puis l’éteindre. Dans la pratique, j’ai fréquemment réglé le minuteur à 5 minutes. Les taches de dinoflagellés ternissent après traitement. Dans mon cas la couleur vire de marron rougeâtre à brun mat.

4. Progresser ainsi :
• balayer lentement pour désactiver les dinoflagellés.
• par étapes pour les tuer.
5. Renouveler le traitement plusieurs jours et dès l’apparition d’ilots. Les dinoflagellés reviennent mais beaucoup plus lentement et bien moins nombreux.
6. Verifier l’éfficacité du traitement au microscope. Il faut compter environ 1 mois pour une quasi éradication d’un aquarium bien envahi.

7.3. Efficacité

• Un traitement journalier durant une semaine a permis de réduire très notablement les tâches de dinoflagellés. Les jours qui suivent révèlent quelques réaparitions vite maitrisées. Les traitements deviennent plus brefs et bien moins fréquents.
• Contre toute attente, après 10 jours je constate également une nette régression des Ostreopsis sur les roches. Les filaments longs et bulleux ont quasi disparu. Les séances de tempête avec la pompe sur le décor soulèvent bien moins de résidus. Le décor devient plus clair ou recouvert par des algues vertes enfin visibles. Ce phénomène a également été relaté par des utilisateurs aux US.
• Je n’ai pas constaté d’évolution des NO3 et PO4. L’activité bactérienne n’a pas dû évoluer notablement.
• Le redox a augmenté progressivement depuis le début du traitement passant en 10 jours de 250 mV à 380 mV. Signe d’une réduction des déchets, semble-t-il en liaison avec la réduction des cellules en décomposition de dinoflagellés.
• Après 10 jours, je constate une nette reprise des coraux en meilleure santé : les LPS se gonflent mieux, les tissus de ceux maltraités lors des traitements antérieurs se reconstruisent, ils retrouvent leurs couleurs. Les polypes des SPS s’ouvrent plus facilement, je constate un front de croissance et des polypes terminaux naissants.
• De même que les chirurgiens Acanthurus leucosternon, Zebrazoma desjardini et Z. scopas se remettent à brouter les algues du décor.
• …
• Après une absence de 10 jours, j’ai pu constater à mon retour une forte recrudescence des dinoflageléls sur le sable et le décor. Ce, malgré l’ajout régulier de bactéries.
• La reprise du traitement UV-C a vite permis de retrouver une situation gérable. En complément, la culture de bactéries selon l’article Cultiver des bactéries pour aquarium récifal, introduites massivement s’est soldée par la quasi éradication des dinoflagellés sur le sable et les décors, comme jamais depuis 1 an.

D’après mes lectures, les retours d’utilisateurs du balai UV aux US, dans des conditions similaires, semblent plus optimistes, avec une éradication en seulement 3 semaines. Je ne sais quoi en penser. Même si la bataille n’est jamais acquise, le seul fait de passer régulièrement le balai UV, associé aux bactéries, a redonné à mon aquarium un aspect que je n’avais pas connu depuis logntemps et l’espoir de pouvoir enfin revivre les plaisirs de l’aquariophilie récifale.

En savoir plus

• Résistance de différents micro-organismes aux UV-C (254 NM)

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