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Mercredi 2 mars 2016, soutenance de thèse de Ana Cecilia MEDEIROS - 10h00, Amphithéâtre K118, site Bergès

Étude expérimentale de la formation des biofilms sous conditions hydrodynamiques contrôlées

Membres du jury

- M. HERAN Marc, Professeur-IEM, Montpellier, Rapporteur
- M.GOLFIER Fabrice, MCF-GeoRessources, Vandoeuvre-lès-Nancy, Rapporteur
- M. TEIXEIRA José, Professeur-UMinho, Braga-Portugal, Examinateur
- Mme. LECUYER Sigolène, CR-Liphy, Grenoble, Invitée
- M. PIGNON Frédéric, DR-LRP, Grenoble, Directeur de thèse
- M. SECHET Philippe, MCF-LEGI, Grenoble, Co-directeur
- Mme. HUANG Zhujun, MCF-LEGI, Grenoble, Co-encadrant

Résumé
En milieu aquatique, 90% des microorganismes se présentent sous forme de biofilm plutôt que dans un état planctonique. Les biofilms peuvent se former sur la plupart des surfaces humides, en particulier, les milieux poreux en raison de leur grande surface spécifique. La formation du biofilm dans les milieux poreux représente un domaine précieux pour la recherche scientifique en raison de sa pertinence pour de nombreux processus industriels, telles que le traitement des eaux, la bio-médiation des sols, la récupération du pétrole et le stockage du CO2. Cependant, le développement du biofilm n’est pas simplement une agrégation passive de cellules, il implique des interactions biologiques, physiques et chimiques avec le microenvironnement. Les études macroscopiques ont démontré que les conditions hydrodynamiques dans les milieux poreux jouent un rôle décisif sur la dynamique d’accumulation des biofilms, ce qui influence à son tour les propriétés hydrodynamiques comme la porosité, la perméabilité et la chute de pression. Dans cette thèse nous avons mis au point une méthodologie et un dispositif expérimental permettant la caractérisation de la structure d’un biofilm. A partir de cette procédure, une étude expérimentale sur l’influence de l’écoulement sur la formation et la structure des biofilms a été effectuée sur une souche bactérienne Pseudomonas putida. Les biofilms sont développés dans des micros cellules d’écoulement de type Hèle-Shaw (en PDMS ou PMMA) et alimentés en continue avec un milieu nutritive. La caractérisation de la colonisation avant croissance du biofilm a été également réalisée afin de pouvoir caractériser la variabilité statistique et la reproductibilité des expériences. La formation du biofilm sur un support solide dans un écoulement cisaillée a été évaluée après 24h, 48h et 72h de développement pour deux conditions hydrodynamiques, Re=0.04, τw=2.1x10-3Pa et Re=2, τw=9.4x10-2Pa. Les observations ont été effectuées sous microscope confocal à l’aide de marqueurs fluorescents. Des images 2D sont prises en différentes positions puis sont utilisées pour effectuer une reconstruction 3D du biofilm avec l’évaluation la distribution spatiale sur une zone de 12*12mm². Nous avons ensuite mis en évidence que les biofilms formés sont peu sensibles aux conditions de colonisation initiales. Nous avons également observé une stratification du biofilm selon la hauteur. La couche interne présente une faible épaisseur (5 10 µm) mais avec une structure dense, tant dis que la couche externe présente plutôt une structure filamenteuses. Le rapport des fractions volumiques entre ces deux couches peut varier de 3 jusqu’à 12, selon le temps de formation. Cet écart est autant plus important pour le cas de faible cisaillement que celui de fort cisaillement. Ceci montre que la partie supérieure du biofilm semble être contrôlée par les conditions hydrodynamiques. En analysant la distribution spatiale du biofilm, nous avons constaté une forte hétérogénéité après 48h de développement présente dans la structure, ainsi qu’une diminution de la fraction volumique de la biomasse après 72h, pour les deux conditions hydrodynamiques imposées. Ceci évoque de probables détachements ou des érosions du biofilm. A propos de la cinétique de croissance, on constate un taux de croissance apparent différents pour chaque temps d’observation. Ces valeurs sont largement inférieures aux taux de croissance observé en culture libre. Ce résultat indique également un possible effet de l’hydrodynamique sur la croissance du biofilm. Cette étude nous permet, à partir des mesures à l’échelle microscopique, d’obtenir des informations sur la structural et le taux de croissance apparent du biofilm, ainsi que l’effet de l’hydrodynamique sur ses propriétés à l’échelle de quelques pores. Ce changement d’échelle, permettra à terme de développer des outils (modèles) pour simuler et/ou modéliser l’évolution de la morphologie et la distribution spatiale d’un biofilm dans un milieu poreux.

Mots clés en français : Biofilm, Expérience, micro cellule d’écoulement, couplage hydrodynamique