La fibrose kystique est une maladie génétique et transmissible qui affecte particulièrement les fonctions respiratoires des patients atteints. Ce déclin du système respiratoire est entre autres le résultat de la présence de différents pathogènes causant des infections. Staphylococcus aureus est l'un des pathogènes les plus fréquemment retrouvés dans cet environnement. Ce pathogène pouvant être associé à différents types d'infections chez l'être humain, utilise différentes stratégies qui lui permettre [i.e. permettent] de tirer avantage des multiples environnements où il peut se retrouver. L'une de ces stratégies est d'adopter un phénotype particulier nommé : small-colony variant (SCV). Le profil transcriptionnel particulier des SCVs tend à les associer aux infections de type chronique. De plus, la résistance accrue aux aminoglycosides aussi bien qu'aux inhibiteurs de la voie des folates font des SCVs des pathogènes plus difficiles à éliminer par les traitements conventionnels. Malgré le fait que nos connaissances sur les SCVs ne cessent d'augmenter, les facteurs sous-jacents à leur présence dans certaines pathologies comme celle retrouvée chez les patients fibro-kystiques sont encore mal définis. Il est connu que certains facteurs tels que des antibiotiques et des exoproduits bactériens favorisent leur présence in vitro. Cependant, l'impact in vivo de ces facteurs ainsi que le rôle que jouent les infections à S. aureus chez ces patients ne sont toujours pas bien compris. Les projets présentés dans ce travail ont pour but de mieux caractériser les infections à S. aureus et plus particulièrement celles produites par les SCVs chez les patients atteints de cette maladie. Le premier volet est une étude clinique qui a permis de faire le constat de l'importante proportion d'isolats de S. aureus portant des résistances à différents antibiotiques cliniquement utilisés. Bien qu'aucun facteur environnemental n'ait pu être mis en cause pour la présence de SCVs, leur capacité à produire plus de biofilm ainsi que leur sensibilité réduite aux aminoglycosides a été mise en évidence. Malgré ces caractéristiques inquiétantes, les résultats de cette étude pilote semblent montrer que la présence de S. aureus et des SCVs à [i.e. a] peu d'impact sur les fonctions respiratoires des patients comparativement à P. aeruginosa. Cependant, il n'est pas exclu que la présence de S. aureus et des SCVs ait un effet important sur l'incidence de P. aeruginosa et les interactions bactériennes pouvant modulées [i.e. moduler] la santé des patients. Dans cette optique, le deuxième projet à [i.e. a] permis de mieux comprendre les mécanismes qu'utilisaient S. aureus lui permettant, face à la présence de P. aeruginosa, de passer au phénotype SCV. Ce projet connexe a démontré l'importance du facteur alternatif sigB dans le mécanisme d'acquisition du phénotype SCV en réponse au HQNO, un exoproduit de P. aeruginosa. Il a également permis de mieux comprendre les effets transcriptionnels de cette molécule sur S. aureus ainsi que son impact global sur la production de biofilm. Ces travaux ont contribué à mieux comprendre les infections bactériennes, en grande partie responsables de la diminution des fonctions respiratoires chez les patients atteints de la fibrose kystique. Éventuellement, ces travaux pourront permettre de mieux gérer ces infections et d'améliorer ainsi la qualité de vie des personnes aux prises avec cette pathologie, encore incurable.

The objectives of this work are related to the kinetic study and characterization of air treatment biofilters with and without percolation which were packed with inert packing materials in order to treat methanol, ethanol and toluene vapours.The thesis is divided into three sections.The first section contains a bibliographic introduction to biofiltration and an experimental study.The review of experimental work shows that methanol, ethanol and toluene can be treated in biofilters with or without percolation. In the experimental study of this section, ethanol is treated in a biotrickling filter at low nitrogen concentrations in the nutrient solution and high removal efficiencies are obtained. In this study, experimental protocols for maintaining the biofilter and controlling the biomass content in the packing bed were developed.The second section is composed of two experimental studies for characterizing biofilters with and without percolation in order to treat methanol. A methodology for calculating the biomass accumulated in the packing bed of a biofilter is among the new experimental protocols developed in this study. In the case of biotrickling filter, methodologies for determining the partition coefficient of methanol and the biomass production rate were developed.The role of the biofilm and the nutrient solution on bioflter performance was also analyzed.The studies of this section lead to a better comprehension of methanol biodegradation in biofilters.The third section contains two kinetic studies for biofilters with and without percolation. In the first study, a new experimental methodology is proposed to calculate microkinetic parameters related to microbial growth in a biofilter. In the second study, the microkinetic and macrokinetic behaviors of methanol and toluene biodegradation are compared.The influence of operating conditions on microbial growth and elimination capacity is also analyzed. This study includes the identification of energy indicators of biofilters with and without percolation, which could be used in energy balances and for estimating the temperature of packing bed.

Biofilms are colonies of bacteria attached to the surface at a solid-fluid interface. Bacteria in biofilm produce exopolysaccharides (EPS) that form a gel-like matrix in which the bacteria are embedded. Biofilms have numerous consequences in industrial and medical settings, both positive (bioreactors, digestion) and negative (blocking, as corrosive damage of materials/devices, food contamination, clinical infection). The use of antibiotics or mechanical clearing can be effective at removing biofilms, but such treatments are not always effective or appropriate in all situations. Recently, non-thermal atmospheric plasma treatments have been proposed as an alternative (or complementary) form of treatment, that can target sites of infection with minimal damage to the surroundings (e.g. host cells in a clinical setting). These plasmas generate a multitude of chemical species, most of which are very short lived, that can infiltrate and diffuse into the biofilm killing the bacteria within. The aim of this thesis is to develop a multi-dimensional mathematical model to investigate the effect of a non- thermal plasma on biofilms in time and space and to identify key factors that determine effectiveness of the treatment. Most of the chemical products of cold plasmas are too short lived, or too reactive, to be effective in killing the biofilms, it is the longer live species, e.g. ozone, hydrogen peroxide, acid species, that penetrated the biofilm and do the most damage. However, the EPS in biofilms is an effective barrier against ozone and hydrogen peroxide. No published biofilm model combines multi-dimensional growth with a detailed description of EPS production, hence a new mathematical model is developed and applied to simulating plasma treatment. The thesis is split broadly into two parts. The first part presents a new biofilm model framework that simulates growth in response to any number of substrates (e.g. nutrient, oxygen). The model combines an Individual based model (IbM) description of bacteria (individuals or clusters) and substrates are described as a continuum. Novel features of the framework are the assumption that EPS forms a continuum over the domain and the explicit consideration of cellular energy (ATP). Simulations of this model demonstrate the contrast between biofilm grown with topical nutrient sources (forming irregular, bumpy biofilm) and basal nutrient source with topical oxygen such as biofilm grown on agar (forming regular spatially uniform biofilms). The former is in broad agreement with experiments whilst the latter, to our knowledge, has been the subject of very little experimental study. The second part extends the modelling framework to consider the effect of the plasma species. The simulations demonstrate that penetration is a key factor in their effectiveness, for which EPS plays a key role in preventing spread within and beyond the plasma treated zone. The simulations provide estimates of the timescale of equilibration of the main plasma species, predict the effect of combining these species and demonstrate how the constituents of the biofilm can change following treatment. A number of recommended suggestions for future theoretical and experimental study are discussed in the conclusions.

Staphylococcus aureus (S. aureus) est responsable de divers types d’infections chez l’homme et les animaux. Dans l’industrie laitière, ce pathogène est régulièrement mis en cause dans les infections intra-mammaires sous-cliniques qui persistent chez la vache et qui est à l’origine d’importantes pertes économiques. Le caractère chronique de cette infection lié aux échecs de l’antibiothérapie, sa difficile détection et l’inexistence de vaccin efficace ont suscité des recherches plus approfondies sur les S. aureus à l’origine de la mammite sous-clinique qui persiste afin de les diagnostiquer et de mieux les contrôler. Dans mon étude, j’ai caractérisé des marqueurs génétiques et phénotypiques de S. aureus persistant pour les utiliser comme un outil de diagnostique. La découverte de caractéristiques inhérentes aux souches causant des mammites bovines persistantes permettrait l'identification rapide de souches potentiellement problématiques en début d'infection et la prise de décisions justes prenant en compte la gestion thérapeutique et la gestion des troupeaux. La caractérisation des souches persistantes a commencé par la détection du profil des superantigènes qui sont des immuno-modulateurs de l’hôte. Ce profile nous a permis d’observer l’absence de l’îlot génomique νSaβ-1 chez les souches sous-cliniques. Cependant, la présence de seg augmente la probabilité de causer une infection non-persistante. L’étude du phénotype a permis d’observer une corrélation entre la production de biofilm et le niveau d’activation du système agr chez les souches persistantes et non persistantes. Nous avons observé une surexpression du biofilm suivi d’une sous-expression d’hld chez les souches persistantes et le phénomène inverse chez les souches non persistantes. Le typage par le gène spa a révélé que deux lignées bactériennes (t267 et t529) sont responsables de la majorité des cas de mammites sous-cliniques persistantes et cliniques au Canada.

La mammite bovine est l’inflammation des tissus internes de la glande mammaire des vaches laitières. Elle est la plupart du temps causée par l’intrusion d’agents pathogènes dans le canal du trayon de la glande mammaire causant ainsi une infection intramammaire (IIM). La mammite engendre des pertes économiques importantes pour l’industrie laitière en raison de la faible production du lait, des coûts de traitements élevés, la présence de résidus d’antibiotiques dans le lait suite à leur utilisation, le rejet de lait non destiné à la consommation et les faibles taux de rendement pendant la transformation du lait en divers produits laitiers. Le développement de l’inflammation est souvent associé au degré d’exposition des glandes mammaires aux pathogènes. Staphylococcus aureus est le pathogène le plus souvent responsable de la mammite bovine au Canada. Il est capable de causer des infections intramammaires persistantes sous-cliniques souvent réfractaires à l’antibiothérapie. En outre, le biofilm représente un facteur de virulence clé dans la persistance de S. aureus pendant la mammite, car il augmente la résistance des bactéries contre les antibiotiques grâce à la matrice extracellulaire qui recouvre et protège la communauté. Le biofilm représente donc, une problématique majeure de l’industrie laitière et le besoin de nouveaux outils thérapeutiques alternatifs adressant ce facteur de virulence est très urgent. Le chitosane est une molécule naturelle extraite de la carapace des crustacés. Elle est exploitée pour de multiples applications biologiques, y compris certaines activités antibiofilm. Dans cette étude, nous avons démontré que les formes de 2,6 kDa et 4 kDa empêchaient la production de biofilm des souches : S. aureus 2117 (forte productrice du biofilm) et le SARM bovin (S. aureus résistant à la méthicilline). Chez la souris, l’administration d’un chitosane de 2,6 kDa n’a démontré aucun effet inflammatoire comparativement au 4 kDa. Les tests de bactéricidie ont démontré que le 2,6 kDa était capable de tuer les bactéries incorporées dans les biofilms préformés d'une manière dose-réponse avec une réduction de > 3 log[indice inférieur 10] CFU / biofilm à la concentration de 4 mg / ml. En culture cellulaire, nous avons observé que le chitosane de 2,6 kDa pouvait empêcher la persistance du SARM bovin dans les cellules épithéliales bovines MAC-T. Les tests de combinaison sur plaque ont révélé que le 2,6 kDa produit une synergie avec les antibiotiques de la classe des macrolides (par exemple, la tilmicosine) contre S. aureus, en réduisant la CMI des deux molécules par 2-8 fois. Finalement, l'administration intramammaire de 2,6 kDa, seul (p <0,01) ou en combinaison avec la tilmicosine (p <0,0001), a réduit la colonisation de S. aureus dans les glandes mammaires de notre modèle de mammite aigu murin.

The success of biocontrol bacteria is often restrained due to their low persistence in the rhizosphere and fluctuations in expression of antagonistic compounds. In the first part of this thesis the ability of the biocontrol agents (BCAs) Pseudomonas brassicacearum DF41 and Pseudomonas chlororaphis PA23 to resist grazing by the bacterivorous nematode Caenorhabditis elegans was investigated. We found that both BCAs are capable of killing the nematodes through exposure to toxic metabolites. We discovered that in addition to HCN, pyrrolnitrin (PRN) is a potent nematicide produced by PA23. Unique for a pseudomonad, DF41 was also found to kill the nematodes by forming biofilms on the nematode anterior, causing starvation. Biofilm formation was dependent upon the Gac two-component system and NaCl concentration of the media. Co-culturing these BCAs in the presence of nematodes increased expression of a number of genes associated with biocontrol. We observed elevated exoproduct formation, consistent with our gene expression analysis. The nematicidal activity exhibited by DF41 and PA23 towards C. elegans bodes well for their persistence in the environment. In the second part of this thesis the role of hydrogen cyanide (HCN) and the anaerobic regulator ANR in PA23 biocontrol was explored. An hcn mutant was created and in vitro antifungal (AF) assays revealed the involvement of HCN in Sclerotinia sclerotiorum suppression. Addition of glycine promoted both AF activity and HCN production. In addition, HCN was found to be positively regulated by quorum sensing (QS). Besides a phz box, an anr box was identified in the hcnA promoter, suggesting a role for ANR in regulating hcnA. An anr mutant was generated and phenotypic characterization revealed that ANR is a key regulator governing PA23 secondary metabolite production. Through gene expression analysis, ANR was shown to positively regulate phzI/phzR and PhzR negatively regulate anr. Furthermore, expressing anr in trans partially complemented the QS-deficient phenotype with respect to several biocontrol genes and exoproducts. Overall, the global regulator ANR is vital for PA23-mediated biocontrol and a significant overlap exists between the QS and ANR regulons. / October 2016

Biofilms are communities of microorganisms associated with surfaces encased in a protective extracellular matrix. These communities often pose clinical and industrial challenges due to their ability to tolerate biocidal treatments and removal strategies. Understanding the ecological interactions that take place during biofilm establishment is a key element for designing future treatment strategies. In this work, I utilized unique methods for studying factors contributing to cooperative antibiotic detoxification in a polymicrobial biofilm model. Subsequently, I tested a novel compound mixture that exhibited promising antibiofilm properties. Escapin is an L-amino acid oxidase that acts on lysine to produce hydrogen peroxide (H2O2), ammonia, and equilibrium mixtures of several organic acids collectively called Escapin intermediate products (EIP). Previous work showed that the combination of synthetic EIP and H2O2 functions synergistically as an antimicrobial toward diverse planktonic bacteria. To test the combination of EIP and H2O2 on bacterial biofilms, Pseudomonas aeruginosa was selected as a model, due to its role as an important opportunistic pathogen. Specifically, I examined concentrations of EIP and H2O2 that inhibited biofilm formation or fostered disruption of established biofilms. High-throughput assays of biofilm formation using microtiter plates and crystal violet staining showed a significant effect from pairing EIP and H2O2, resulting in inhibition of biofilm formation relative to untreated controls or to EIP or H2O2 alone. Similarly, flow cell analysis and confocal laser scanning microscopy revealed that the EIP and H2O2 combination reduced the biomass of established biofilms relative to controls. Area layer analysis of biofilms post-treatment indicated that disruption of biomass occurs down to the substratum. Only nanomolar to micromolar concentrations of EIP and H2O2 were required to impact biofilm formation or disruption, which are significantly lower concentrations than those causing bactericidal effects on planktonic bacteria. Micromolar concentrations of EIP and H2O2 combined enhanced P. aeruginosa swimming motility compared to either EIP or H2O2 alone. Collectively, these results suggest that the combination of EIP and H2O2 may affect biofilms by interfering with bacterial attachment and destabilizing the biofilm matrix.

Streptococcus sanguinis is an important component of the dental plaque biofilm and is believed to play a beneficial role in the oral cavity. S. sanguinis is also a leading cause of infective endocarditis (IE), a potentially lethal infection of the cardiac valves. S. sanguinis possesses genetic competence, the ability to acquire exogenous DNA into its genome. In the well characterized system of S. pneumoniae, genetic competence requires a quorum sensing system encoded by the early comCDE genes, as well as late genes controlled by the alternate sigma factor, ComX. Previous studies in other streptococcal species have suggested functions for the com regulon apart from DNA uptake. Here we characterized functions of the S. sanguinis com regulon genes in genetic competence, IE virulence, and biofilm formation. Our findings indicated that the early regulatory genes and those under the control of ComX in S. sanguinis play similar roles in genetic competence as their orthologs in other competent streptococci; however the sequence and mechanism of processing of the quorum sensing signal, competence-stimulating peptide, CSP, were determined to be unique. Using a rabbit endocarditis model, we determined that the comCDE and comX genes were not required for virulence, bacteremia, or pathology under a variety of infection conditions. In contrast, examination of biofilms by microscopy and crystal violet staining indicated that S. sanguinis CSP enhanced biofilm formation in a comDE-dependent manner. Deletion of the early com gene SSA_0195 eliminated this effect, while expression of the gene from an inducible promoter increased biofilm formation in the absence of CSP. Deletion of the comX gene resulted in biofilms with increased staining, cell death, and profoundly altered structure. Treatment with DNase I reduced biofilm formation in a com-independent manner. Taken together, these results suggest that expression of SSA_0195 is both necessary and sufficient for CSP-dependent biofilm enhancement, and that the late gene activator, ComX, is required to maintain normal biofilm architecture. Our findings suggest the com regulon of S. sanguinis may be an important determinant of competitiveness in the mouth, where native CSP production may occur at levels sufficient to influence biofilm formation.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La mammite bovine est une inflammation de la glande mammaire causée par un traumatisme ou par une infection. Au Canada, l’agent pathogène le plus souvent retrouvé dans les cas de mammites bovines est Staphylococcus aureus (S. aureus). Cet agent pathogène peut causer des mammites cliniques avec des symptômes graves et apparents, mais il peut aussi provoquer des mammites sous-cliniques ne présentant aucun symptôme. Cette infection engendre des pertes économiques importantes dans le secteur de la production laitière, principalement par le retrait du lait lors d’infection clinique et lorsqu’un antibiotique est utilisé. Il est ainsi important d’apporter de nouveaux outils aux producteurs laitiers pour contrer la mammite bovine. Prédire les symptômes associés à la mammite bovine causée par S. aureus pourrait améliorer la gestion des mammites en identifiant rapidement les souches problématiques. Pour ce faire, une caractérisation génotypique et phénotypique de 587 souches de S. aureus isolées dans l’ensemble du Canada a été effectuée dans le but de prédire l’apparition de symptômes cliniques et la durée de l’infection. Les séries d’isolats provenant du même quartier suivi sur une longue période de temps avec la manifestation d’au moins une mammite clinique ont été comparées aux isolats de séries sans aucune mammite clinique. Cette comparaison a été effectuée dans le but de différencier les deux types d’infection selon les caractéristiques de la souche de S. aureus impliqués. Les facteurs comparés sont la présence de gènes de virulence (seg, lukM et tst), la formation de biofilm in vitro et l’origine clonale des souches de S. aureus selon le typage spa. Des différences significatives ont été trouvées dans la distribution des types spa (p=0,018) et la présence du gène lukM (p=0,009) entre les souches causant des mammites cliniques ou sous-cliniques. Une régression logistique, qui prend en compte tous les facteurs de la comparaison, a été effectuée. Cela a permis de faire l’importante observation qu’à chaque log additionnel de biofilm, les chances d’avoir des signes cliniques augmentent de 97% (p=0,05). Pour déterminer quels facteurs influençaient la durée de l’infection, chaque facteur a été utilisé individuellement dans des tests d’analyse de survie. Aucun facteur n’est ressorti significatif dans ces tests lorsque pris individuellement, mais lorsque tous les facteurs sont pris en compte dans une régression logistique, quelques différences peuvent être observées. Nous avons déterminé que les types spa t529 et t359 ont respectivement 3,5 à 4,5 fois plus de chance de se faire éliminer en comparaison au type spa t13401 (p = 0,047 et 0,019). De nombreux facteurs ont été corrélés avec les types spa, tels que la possession de seg par t529 et la formation de biofilm variable selon le type spa. Ces résultats tendent à montrer qu’un outil de prédiction pourrait être développé avec une caractérisation plus poussée des types spa. L’outil de prédiction pourra alors permettre une meilleure gestion des cas de mammite bovine causés par S. aureus.