Yoan Pechaud 23/11/12 à 10h00



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Yoan Pechaud
23/11/12 à 10h00

Amphi Fourier (INSA Toulouse)



Analyse et modélisation des mécanismes de transport et de réaction au sein de biofilms épais et matures : Influence sur les propriétés structurelles des biofilms

Résumé :

Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre de l’ANR Ecotech BioFIMe, s’est articulé autour de la caractérisation et de la modélisation du comportement de biofilms représentatif de milieux industriels. L’objectif visait à combler un manque de connaissance dans deux domaines industriels différents : (i) celui de l’épuration où les réacteurs à biofilms sont très peu utilisés à cause du manque de compréhension des différents processus en interaction notamment ceux qui conditionnent la distribution spatiale des populations microbiennes au sein de l’épaisseur du biofilm, (ii) celui des circuits d’eau industriels où la lutte contre le développement de biofilms indésirables nécessite des quantités de biocides élevées pour une efficacité discutable.

Pour pallier au manque d’outils de caractérisation locale de la composition d’un biofilm, nous proposons une approche couplant une analyse expérimentale à l’échelle mésoscopique des propriétés physiques de biofilms développés sous des conditions de croissance contrastées et une modélisation 1-D qui permet de représenter l’évolution spatiale et temporelle des composantes majeures du biofilm, cellules et composés biochimiques (exopolymères (EPS)). Les originalités du modèle développé consistent (1) à considérer différentes natures d’EPS, protéiques et polysaccharidiques, dont les rendements de production sont fonction de la teneur locale en nutriments et qui conditionnent la cohésion locale du biofilm, (2) à surimposer au détachement surfacique jusqu’alors proposé des événements de détachement volumique plus représentatifs de ce qui est observé expérimentalement et dont la fréquence et l’amplitude dépendent de la structure et de la composition du biofilm, et enfin (3) à considérer une porosité locale du biofilm dépendante de sa composition biochimique.

Ce modèle, testé pour différentes conditions opératoires (C/N, Charge surfacique, limitation en oxygène, contrainte de cisaillement), permet de représenter qualitativement la distribution des composantes du biofilm ainsi que le phénomène de consolidation qui induit une stratification de la porosité le long de l’épaisseur. De plus, confronté aux résultats d’expériences variées (contrainte de cisaillement et de charge organique contrastées), ce modèle s’avère capable de représenter quantitativement l’effet de ces deux paramètres opératoires sur l’épaisseur et la densité moyennes des biofilms. Il donne une image de la distribution spatiale et temporelle des composés particulaires du biofilm, distribution validée qualitativement indirectement par l’analyse de l’effet de combinaison de traitements bio-chimiques (ciblant les protéines ou les polysaccharides) et de traitements hydrodynamiques sur la masse de biofilm détachée et sur le pourcentage de recouvrement du support.

Plusieurs étapes de validation, en considérant si possible les composantes locales, sont encore nécessaires pour donner au modèle un caractère prédictif. Ce modèle pourra alors permettre, dans le domaine de l’épuration, d’évaluer l’effet de conditions opératoires sur les processus de détachement et de transport de substrats et par conséquent sur la distribution des activités au sein d’un biofilm. Dans le domaine de la lutte contre les biofilms indésirables, la prédiction de la composition locale du biofilm pour une condition de croissance donnée permettra d’aider au choix du type et du protocole de traitement à appliquer afin de minimiser l’utilisation de biocides.


Mots-Clés: Biofilms, EPS, Modèles, Transfert de matière, Détachement, Cohésion, Composition bio-chimique, Porosité, Epuration, Traitements hydrodynamiques et enzymatiques.
Etablissement d’inscription : INSA Toulouse
Composition du Jury:

Renaud, Escudie, Chargé de recherche (Rapporteur)

Paul, Lessard, Professeur (Rapporteur)

Sylvie, Gillot, Directrice de Recherche (Examinateur)

Alain, Liné, Professeur (Examinateur)

Michel, Quintard, Directeur de Recherche (Examinateur)

Nicolas, Derlon, Docteur (Examinateur)

Yolaine, Bessiere, Maîtres de conférences (Invité)



Isabelle, Queinnec, Directrice de recherche (Directrice de thèse)

Etienne, Paul, Professeur (Directeur de thèse)

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