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HAL Id: tel-01810953 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01810953 Submitted on 8 Jun 2018 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Structuration morphologique et microbiologique des biofilms multi-espèces : de l’adhésion au biofilm mature Thibaut Saur To cite this version: Thibaut Saur. Structuration morphologique et microbiologique des biofilms multi-espèces : de l’adhésion au biofilm mature. Génie des procédés. Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2014. Français. NNT : 2014MON20174. tel-01810953 Délivré par UNIVERSITE MONTPELLIER 2 Préparée au sein de l’école doctorale Sciences des Procédés – Sciences des Aliments Et de l’unité de recherche Laboratoire de Biotechnologie de l’Environnement Spécialité : Génie des Procédés Présentée par Thibaut SAUR Soutenue le 01/12/2014 devant le jury composé de M. Stéphan BROSILLON, Professeur, Univ. Montpellier II Président M. Jean-Claude BLOCK, Professeur, Univ. Lorraine Rapporteur M. Etienne PAUL, Professeur, INSA Toulouse Rapporteur M. Kim HELLESHOJ SOERENSEN, Directeur technique, Wabag Examinateur M. Jean-Marie HERRY, Ingénieur d’études, INRA Massy Examinateur M. Kim MILFERSTEDT, Chargé de recherche, INRA Narbonne Invité M. Renaud ESCUDIE, Chargé de recherche, INRA Narbonne Directeur de thèse Structuration morphologique et microbiologique des biofilms multi- espèces : de l’adhésion au biofilm mature M. M. M. Liste des communications Publications internationales § Saur, T., Milferstedt, K., Bernet, N., Escudié, R. (2014). An automated method for the quantification of moving predators such as rotifers in biofilms by image analysis. Journal of microbiological methods, 103, 40-3. doi:10.1016/j.mimet.2014.05.009 § Saur, T., Morin, E., Habouzit, F., Bernet, N., Escudié, R. Impact of shear stress on initial bacterial adhesion in a Couette-Taylor reactor. En cours de soumission § Saur, T., Escudié, R., Santa-Catalina, G., Bernet, N., Milferstedt, K. Growth history in biofilms and conservation of morphology and community structure. En cours de soumission Communications orales § Saur, T., Milferstedt, K., Bernet, N., Escudié, R. (2013). Impact of hydrodynamic perturbations on physical structure and microbiological composition of biofilm. Dans: 9th International Conference on Biofilm Reactors, Paris, France § Saur, T., Milferstedt, K., Bernet, N., Steyer, JP., Escudié, R. (2013). Quantification par analyse d’image de prédateurs mobiles dans des biofilms : application aux rotifères. Dans: Biofilms : Remue-ménage aux interfaces, Pau, France § Saur, T., Morin, E., Habouzit, F., Bernet, N., Escudié, R. (2014). Impact of the shear stress on initial bacterial adhesion. Dans: Biofilms 6, Vienne, Autriche Posters § Bellucci, M., Milferstedt, K., Escudié, R., Gévaudan, G., Saur, T., Bernet, N., Godon, JJ., Harmand, J. (2013). Complex autochthonous biofilm community limits the invasion of a pure culture of Aquabacterium sp. at various concentrations. Dans: 9th International Conference on Biofilm Reactors, Paris, France § Saur, T., Milferstedt, K., Santa-Catalina, G., Bernet, N., Escudié, R. (2014). Memory effect on biofilm development: Biofilm history stronger than environmental conditions. Dans: Biofilms 6, Vienne, Autriche Distinctions § Lauréat du « Young Investigator Award » pour la meilleure présentation orale (2014). Dans: Biofilms 6, Vienne, Autriche. Titre : Impact of the shear stress on initial bacterial adhesion. § Lauréat du « Prix de l’école doctorale » pour la seconde meilleure présentation orale (2014). Dans: Journée de l’école doctorale, Montpellier, France. Titre : Impact of the shear stress on initial bacterial adhesion - 1 - Table des matières Table des matières ................................................................................................................. - 1 - Liste des abréviations ............................................................................................................ - 6 - Liste des figures .................................................................................................................... - 7 - Liste des tableaux ................................................................................................................ - 10 - Introduction ......................................................................................................................... - 11 - I. Synthese bibliographique ....................................................................................... - 15 - I.1 Le biofilm : sa vie, son œuvre ................................................................................. - 17 - I.1.1 Généralités sur les biofilms ............................................................................. - 17 - Définition .................................................................................................. - 17 - I.1.1.1 Composition .............................................................................................. - 18 - I.1.1.2 Avantages du mode de vie biofilm ............................................................ - 19 - I.1.1.3 I.1.2 Les biofilms, un système biologique omniprésent .......................................... - 20 - Les biofilms en milieu naturel ................................................................... - 20 - I.1.2.1 Les biofilms « négatifs » ........................................................................... - 21 - I.1.2.2 Les biofilms « positifs » ............................................................................ - 22 - I.1.2.3 I.1.3 Le cycle de vie du biofilm ............................................................................... - 23 - I.1.4 Introduction aux diversités structurelles des biofilms ..................................... - 25 - I.2 L’adhésion microbienne .......................................................................................... - 29 - I.2.1 La théorie de l’adhésion microbienne ............................................................. - 29 - L’accès au support ..................................................................................... - 29 - I.2.1.1 L’adsorption réversible ............................................................................. - 30 - I.2.1.2 L’adhésion irréversible .............................................................................. - 36 - I.2.1.3 I.2.2 Les paramètres clés de la structuration ............................................................ - 37 - Notions d’hydrodynamique ....................................................................... - 37 - I.2.2.1 Les paramètres structurants en regard des conditions hydrodynamiques . - 40 - I.2.2.2 - 2 - I.2.3 Les techniques d’études de l’adhésion microbienne ....................................... - 50 - Les dispositifs expérimentaux ................................................................... - 50 - I.2.3.1 La caractérisation chimique des surfaces .................................................. - 51 - I.2.3.2 Les techniques d’observation .................................................................... - 53 - I.2.3.3 I.3 Le développement et le biofilm mature .................................................................. - 55 - I.3.1 Des microcolonies au biofilm mature .............................................................. - 55 - La formation de microcolonies ................................................................. - 55 - I.3.1.1 L’acquisition de structures différentiées : la maturation ........................... - 58 - I.3.1.2 Le biofilm mature ...................................................................................... - 62 - I.3.1.3 I.3.2 Les différents facteurs modifiant la structuration du biofilm .......................... - 64 - Les conditions hydrodynamiques .............................................................. - 64 - I.3.2.1 L’histoire du biofilm ................................................................................. - 68 - I.3.2.2 Les phénomènes de prédation ................................................................... - 69 - I.3.2.3 I.3.3 Les techniques d’études adaptées .................................................................... - 71 - Les dispositifs expérimentaux ................................................................... - 71 - I.3.3.1 Les techniques d’observation .................................................................... - 72 - I.3.3.2 Les techniques d’investigation du biofilm ................................................ - 74 - I.3.3.3 I.4 Les objectifs de l’étude ........................................................................................... - 77 - II. Materiel et methodes ............................................................................................... - 81 - II.1 Les dispositifs expérimentaux ............................................................................. - 82 - II.1.1 L’adhésion : réacteur de Couette-Taylor ..................................................... - 82 - Présentation du réacteur ........................................................................... - 82 - II.1.1.1 Les paramètres hydrodynamiques dans le CTR ....................................... - 83 - II.1.1.2 II.1.2 Le développement et les biofilms matures : colonne à bulles ..................... - 85 - Présentation du réacteur ........................................................................... - 85 - II.1.2.1 Description du régime hydrodynamique .................................................. - 86 - II.1.2.2 II.2 La conduite des réacteurs .................................................................................... - 88 - - 3 - II.2.1 Le déroulement d’un essai d’adhésion ......................................................... - 88 - Les différentes contraintes appliquées ..................................................... - 88 - II.2.1.1 L’inoculum ............................................................................................... - 88 - II.2.1.2 Le protocole d’adhésion ........................................................................... - 89 - II.2.1.3 II.2.2 L’opération des colonnes à bulles ................................................................ - 90 - Les deux types de conditions hydrodynamiques testés ............................ - 90 - II.2.2.1 L’inoculation des réacteurs ...................................................................... - 90 - II.2.2.2 La conduite continue ................................................................................ - 91 - II.2.2.3 II.2.3 Les caractérisations physico-chimiques ....................................................... - 92 - II.3 La caractérisation morphologique ....................................................................... - 94 - II.3.1 Les techniques d’observation ....................................................................... - 94 - La microscopie à épifluorescence ............................................................ - 94 - II.3.1.1 La stéréomicroscopie ............................................................................... - 94 - II.3.1.2 II.3.2 L’analyse d’image ........................................................................................ - 95 - La caractérisation des images d’adhésion ................................................ - 95 - II.3.2.1 La structuration des images de biofilm en développement ...................... - 98 - II.3.2.2 La quantification des prédateurs .............................................................. - 99 - II.3.2.3 II.4 La caractérisation microbiologique ................................................................... - 101 - II.4.1 L’extraction d’ADN ................................................................................... - 101 - Le décrochage des cellules et extraction d’ADN pour l’adhésion ......... - 101 - II.4.1.1 La récupération du biofilm en développement et extraction d’ADN..... - 101 - II.4.1.2 II.4.2 L’amplification PCR et l’analyse CE-SSCP .............................................. - 102 - II.5 Le traitement de données et analyses statistiques ............................................. - 104 - II.5.1 Le traitement des données .......................................................................... - 104 - Les boîtes à moustaches des travaux d’adhésion ................................... - 104 - II.5.1.1 Les matrices de distances des travaux sur le développement ................ - 104 - II.5.1.2 II.5.2 Les analyses statistiques ............................................................................ - 105 - - 4 - Les analyses de variances ...................................................................... - 105 - II.5.2.1 Les Analyses en Composantes Principales ............................................ - 105 - II.5.2.2 La régression linéaire des travaux sur la prédation ................................ - 106 - II.5.2.3 III. Résultats ................................................................................................................. - 107 - III.1 Impact du cisaillement sur les phénomènes d’adhésion .................................... - 108 - III.1.1 Avant-propos .............................................................................................. - 108 - III.1.2 Impact of shear stress on initial bacterial adhesion in a Couette-Taylor reactor - 111 - Abstract ................................................................................................. - 111 - III.1.2.1 Introduction .......................................................................................... - 112 - III.1.2.2 Materials and methods .......................................................................... - 114 - III.1.2.3 Results .................................................................................................. - 120 - III.1.2.4 Discussion ............................................................................................. - 129 - III.1.2.5 Conclusions .......................................................................................... - 133 - III.1.2.6 III.1.3 Discussion .................................................................................................. - 134 - III.2 Impact de l’histoire du biofilm sur son développement .................................... - 136 - III.2.1 Avant-propos .............................................................................................. - 136 - III.2.2 Memory effect in mature biofilms: growth history and conservation of morphology and community structure ............................................................................ - 139 - Abstract ................................................................................................. - 139 - III.2.2.1 Introduction .......................................................................................... - 140 - III.2.2.2 Materials and methods .......................................................................... - 141 uploads/Science et Technologie/ saur-2014-archivage-cor.pdf