Qu’est-ce qu’un biofilm ?

Qu’est-ce qu’un biofilm ?
La première observation d’un biofilm date du xvii-ème siècle. En utilisant un microscope de sa propre conception, Antone Van Leeuwenhoek (1632 – 1723) a observé la présence de microoganismes (animalicules) suite au grattage de sa plaque dentaire. Ceux sont les formes libres et planctoniques des microorganismes les plus étudiées depuis. En 1933 Arthur Henrici en plongeant des lames en verre de microscope dans son aquarium, a observé un dépôt de microorganismes qui s’épaissit progressivement (Henrici 1933). Heukalakian & Heller (1940) ont observé « l’effet de bouteille » : les microorganismes marins s’attachent et augmentent leur croissance et activité métabolique en présence d’un surface solide (Heukelekian et Heller 1940). En 1943, Zobell a montré que, dans un récipient rempli de liquide, les bactéries colonisant les parois sont plus nombreuses que celles présentes en suspension (Zobell 1943). Malgré l’existence de ces études considérées comme étant à l’origine de la recherche en microbiologie, les plus importantes études physico-chimiques portant sur les biofilms datent des années 1970, avec les travaux de Jones et al. (1969), Characklis (1973) ou encore Costerton et al. (1978)). En utilisant la microscopie à transmission et à balayage et en ajoutant du rouge de Ruthénium (marquage de sucre) au tétroxyde d’Osmium des filtres de station de traitement des eaux, Jones et al. (1969), ont confirmé, outre la structure des biofilms, l’existence d’une matrice polyosidique (EPS). Depuis, l’étude des biofilms est devenu plus facile grâce à l’utilisation de la microscopie électronique, qui fournit des informations, non seulement sur la structure du biofilm, mais aussi sur la présence d’EPS. En utilisant la microscopie électronique, Characklis (1973) a démontré que ces dépôts microbiens au sein de conduites d’eau de systèmes industriels sont à la fois tenaces et très résistants aux effets antimicrobiens du chlore.

Basé sur les observations de la plaque dentaire et des communautés microbiennes sessiles localisées dans les torrents de montagne, Costerton et al. (1978) ont proposé une « théorie des biofilms » en expliquant, à la fois, les mécanismes d’adhérence des micro-organismes bactériens aux interfaces solides et les avantages écologiques induit par les colonies bactériennes. En 1981, William Costert a montré que la plupart de la biomasse microbienne est fixée sur des surfaces solides et constituée de populations hétérogènes, englobées dans une matrice extracellulaire riche en eau, sucres et protéines. Ces populations sont présentes dans tous les environnements et peuvent être associées à des surfaces minérales, végétales (surface des feuilles) ou animales (surfaces des muqueuses, surfaces dentaires etc.) (Costerton et al. 1981). On peut ainsi définir un biofilm comme une communauté d’une ou plusieurs espèces bactériennes ou d’autres types de microorganismes (champignons, algues, levures) associés de façon irréversible à une surface liquide ou solide (eau, tissus biologiques, substrats solides situés dans des environnements marins ou d’eau douce (Potera 1999)) et enfermés dans une matrice de matières polysaccharidiques primaires assurant la croissance et la survie à l’état sessile (Kalmokoff et al. 2001, Prakash et al. 2003, Smith 2005) .

Les biofilms se forment lorsque les bactéries adhèrent sur une surface sur laquelle est adsorbée un milieu aqueux contenant des nutriments (des quantités infiniment faibles de nutriments suffisent à l’établissement d’un biofilm) et excrètent des substances polymériques extracellulaires (EPS). Ces dernières représentent 75% à 95 % de la masse totale du biofilm et forment un complexe hétérogène dynamique de bio-organismes qui a pour rôle principal de protéger les cellules bactériennes de la dessiccation (Wingender et al. 1999), (Chmielewski et Frank 2003), (Mah et O’Toole 2001), (Decho 2000).Un biofilm est ainsi composé à 90 % d’eau.

La croissance du biofilm comporte plusieurs phases dont la plus importante est représentée par la phase d’adhésion qui peut être réversible ou non. En effet, lorsque les bactéries produisent des exopolysacharides, leur adhésion devient quasiment irréversible. Selon les travaux de Ofek et Doyle (1994) et Sauer et al. (2002) le décrochement de ces bactéries de leur support par une simple action mécanique est impossible. Dû à la grande surface de contact solide sur les grains (Kapellos et al. 2007), l’espace poral d’un sol constitue un endroit privilégié pour le développement des biofilms. Il faut également noter que les bactéries constituant le biofilm sont mieux protégées face aux actions d’agents extérieurs tels que les ultraviolets, les agents antibactériens (désinfectants), la chaleur ou encore les bactériophages. Les biofilms sont des réservoirs de différentes espèces bactériennes.

Une vie propre s’organise au sein de la matrice protégée par les polymères extracellulaires avec formation de réseaux de pores et de canaux de circulation : accumulation de nutriments, échanges génétiques, concentration microbienne forte, communication entre les cellules. Un biofilm n’est donc pas une surface « monocouche » continue. Son architecture est à la fois hétérogène dans le temps et l’espace.

À l’échelle du pore, le biofilm peut modifier la géométrie de la matrice solide en obstruant la quasi-totalité des pores ou des canaux ; c’est le phénomène de bio obstruction (Hua et al. 2014, Deng et al. 2013, Pintelon et al. 2012, Rockhold et al. 2007, Knutson et al. 2007, Kapellos et al. 2007, Thullner et al. 2002, Kone et al. 2014). Ce processus est mis à profit dans le cas par exemple des bio-barrières lors de la dépollution des formations aquifères. De telles barrières sont censées contenir temporairement à la fois les substances organiques dissoutes et les phases liquides organiques non-aqueuses. La bio-obstruction limite l’écoulement dans le milieu poreux dans les zones de fort développement bactérien, conduisant ainsi à l’établissement de chenaux d’écoulements préférentiels dans les zones peu ou moins colonisées.

Les bactéries en suspension sont en phase planctonique et lorsqu’elles se déplacent, elles s’approchent et interagissent avec la surface des grains. Cette interaction se fait généralement par le biais de macromolécules présentes sur la membrane des bactéries. Sous l’effet des interactions de surface favorables, d’origine physique, chimique ou biologique (Carpentier et Cerf 1993), une fraction bactérienne adhère à la surface solide. Ce processus appelé l’adhésion bactérienne s’effectuant en deux étapes :
(i) adhésion initiale : considérée comme instantanée et réversible, les bactéries s’attachent sur la surface. Les bactéries en suspension se déplacent à travers l’espace poreux sous l’action des forces de gravité, hydrodynamiques, browniennes, London – Van der Waals et électrostatiques (e.g. : Van Oss et al. 1988). En plus de ces forces, de nombreuses bactéries sont capables de se déplacer (nager) d’elles mêmes dans des directions spécifiques en réponse, par exemple à un gradient de concentration en nutriment ou en toxine. De récents travaux s’intéressent à l’influence de ces mécanismes d’auto-propulsion sur la dynamique globale de la population bactérienne Lopez et al. (2015) ce qui peut influencer à terme les régions d’adhésion.
(ii) attachement (phase d’ordre biologique) : irréversible du point de vue chimique et cellulaire, l’attachement dépend de la physiologie des bactéries. .Les bactéries attachées s’adaptent aux conditions environnementales locales et altèrent leur génotype (expression des gènes) et phénotype (taille et forme).

L’adhésion bactérienne est influencée par de nombreux facteurs (Katsikogianni et Missirlis 2004) comme les propriétés physico-chimiques de la surface solide, la vitesse d’écoulement du fluide, ou encore la concentration en nutriment. Parmi les propriétés physico-chimiques de la surface auxquelles l’adhesion est particulièrement sensible, on peut citer la rugosité et l’hydrophobicité de la surface des grains. Selon (Scheuerman et al. 1998), la colonisation augmente avec la rugosité et l’attachement est plus rapide sur des surfaces hydrophobes et non polaires (e.g., le téflon, les plastiques) que sur des matériaux hydrophiles (e.g., le verre, les métaux. Le caractère hydrophobe de ces surfaces dépend néanmoins des caractéristiques du milieu aqueux comme le pH, la force ionique ou encore la température (Bunt et al. 1993).

Table des matières

1 Introduction
1.1 Qu’est-ce qu’un biofilm ?
1.2 Les processus biologiques au sein d’un biofilm
1.2.1 La croissance du biofilm
1.2.2 Quorum sensing
1.2.3 Détachement
1.3 Enjeux technologiques et scientifiques
1.4 La croissance de biofilm en milieu poreux : un problème multi-échelle
1.4.1 Disparité des échelles spatiales : Décrire le biofilm mais à quelle échelle ?
1.4.2 Disparité des échelles temporelles et approximation quasi-stationnaire
1.5 Modélisation de la croissance bactérienne à l’échelle du pore
1.5.1 Les différents modèles de croissance du biofilm
1.5.2 Quelle approche adopter ?
1.6 Objectifs et organisation du manuscrit
2 Modélisation de l’écoulement et du transport dans des milieu poreux évolutifs
2.1 Introduction
2.2 « Numerical Efficiency Assessment of IB-LB Method for 3D Pore-scale Modeling of Flow and Transport » par M. Benioug, F. Golfier, A.-J. Tinet, M.A. Buès et C. Oltéan – Transport in Porous Media (2015)
3 Conclusion

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