Les bactéries sont capables de communiquer entre elles afin de coordonner l’expression de certains gènes en fonction de leur densité de population. Ce système de communication utilise de petites molécules appelées autoinducteurs (AIs) comme messagers chimiques et est connu sous le nom de Quorum Sensing (QS). Chez les bactéries pathogènes, les gènes régulés sont, en particulier, ceux codant pour la production des facteurs de virulence et la structuration des biofilms. Ainsi des inhibiteurs du QS chez ces bactéries pourraient être de nouveaux agents anti-bactériens alternatifs aux antibiotiques actuels. Chez les bactéries à Gram-négatif, les AIs sont très majoritairement des acyl-homosérine lactones (AHLs). Utilisant deux approches, la conception rationnelle et le criblage virtuel, nous avons découvert cinq nouvelles familles d’antagonistes des AHLs, ainsi qu’un certain nombre d’agonistes. Nous avons également préparé des analogues d’antagonistes naturels de la famille des bromo-furanones, afin d’établir une étude structure-activité de ce type de composés. / The bacteria are able to communicate with each other for coordinating gene expression depending on their population density. This communication system use small molecules called autoinducers (AIs) as chemical messengers and is referred to as quorum sensing (QS). In pathogenic bacteria, the regulated genes are, in particular, those coding for the production of virulence factors and biofilms formation. Thus, inhibitors of bacterial QS could be used as new anti-bacterial agents providing an alternative to current antibiotics. In Gram-negative bacteria, the main AIs are acyl-homoserine lactones (AHLs). Using two approaches, rational design and virtual screening, we have discovered five new families of AHLs antagonists, and some agonists. We have also prepared analogues of natural bromo-furanones antagonists, in order to establish a structure-activity study of this type of compounds.

De multiples micro-organismes ont la capacité de catalyser l’oxydation électrochimique de matières organiques en s’organisant en biofilm à la surface d’anodes. Ce processus est à la base de procédés électro-microbiens très innovants tels que les piles à combustible microbiennes ou les électrolyseurs microbiens. L’interface biofilm/électrode a été l’objet de nombreuses étudesdont les conclusions restent difficiles à démêler en partie du fait de la diversité des paramètres interfaciaux mis en jeu. L’objet de ce travail de thèse est d’exploiter les technologies microsystèmes pour focaliser l’impact de la topographie de surface des électrodes sur le développement du biofilm et sur ses performances électro-catalytiques. La formation de biofilmsélectroactifs de Geobacter sulfurreducens a été étudiée sur des électrodes d’or présentant des topographies bien contrôlées, sous la forme de rugosité, porosité, réseau de piliers, à des échellesallant du nanomètre à quelques centaines de micromètres. La présence de microrugosité a permis d’accroitre les densités de courant d’un facteur 8 par rapport à une surface lisse et son effet a étéquantifié à l’aide du paramètre Sa. Nous avons tenté de distinguer les effets des différentes échelles de rugosité sur le développement du biofilm et la vitesse des transferts électroniques.L’intérêt de la microporosité a été discuté. L’accroissement de surface active par la présence de micro-piliers s’est avéré très efficace et une approche théorique a donné des clés de compréhension et d’optimisation. Les connaissances acquises dans les conditions de culture pure ont finalement été confrontées avec la mise en oeuvre de biofilms multi-espèces issus d’un inoculum complexe provenant de sédiments marins. / Many microorganisms have the ability to catalyze the electrochemical oxidation of organic matterby self-organizing into biofilm on the surface of anodes. This process is the basis of highlyinnovative electro-microbial processes such as microbial fuel cells or microbial electrolysis cells.The biofilm/electrode interface has been the subject of numerous studies whose conclusionsremain difficult to disentangle partly because of the diversity of the interfacial parameters involved.The purpose of this thesis work is to exploit microsystem technologies to focus the impact ofelectrode surface topography on biofilm development and electro-catalytic performance. Theformation of electroactive biofilms of Geobacter sulfurreducens was studied on gold electrodespresenting well-controlled topographies, in the form of roughness, porosity, pillar networks, atscales ranging from nanometer to a few hundred micrometers. The presence of micro-roughnessincreased the current densities by a factor of 8 compared to a smooth surface and its effect wasquantified using the Sa parameter. We have tried to distinguish the effects of different roughnessscales on biofilm development and electron transfer rates. The suitability of micro-porosity wasdiscussed. The increase of active surface area by the presence of micro-pillars has proved veryeffective and a theoretical approach has given keys to understanding and optimization. Theknowledge acquired under pure culture conditions was finally confronted with the use of multispeciesbiofilms formed from a complex inoculum coming from marine sediments.

Les biofilms sont des communautés de microorganismes emprisonnés dans une matrice de polymères organiques extracellulaires (EPS) permettant de stabiliser ces édifices tridimensionnels. La cohésion des EPS polyanioniques dans un environnement hydraté est assurée par des microdomaines hydrophobes. La localisation de ces sites hydrophobes est très importante pour comprendre la variabilité ainsi que la réactivité des EPS. Notre travail vise la synthèse de nouvelles sondes fluorescentes hydrophiles ou amphiphiles capables de marquer les EPS. Dans ce but, nous avons synthétisé une série de nanocristaux fluorescents à coeur CdSe, appelés Quantum Dots (QDs), modifiés à leur périphérie par des ligands hydrophiles (acide 3-mercaptopropionic) ou amphiphiles (acide dihydrolipoique couplé à des acides aminés hydrophobes tels que la Leucine ou la Phénylalanine). Par microscopie confocale de fluorescence et spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS), nous avons montré que les QDs fonctionnalisés s'associaient fortement aux EPS des biofilms de la bactérie S. oneidensis. La distribution de ces nanoparticules dans les EPS est dépendante de la structure du ligand et de sa densité à la périphérie des QDs. Une dispersion homogène des QDs hydrophiles dans l'ensemble du biofilm et une clusterisation des QDs amphiphiles dans des microdomaines hydrophobes ont notamment été observés. Les nouvelles sondes fluorescentes développées dans ce travail permettront de suivre le développement ainsi que la réorganisation de matrices biologiques complexes telles que les biofilms. / Microorganisms predominantly live in communities, such as biofilms, in which extracellular polymeric substances (EPS) form the matrix and stabilize the three-dimensional structure. Hydrophobic microdomains allow the cohesiveness of these hydrophilic, polyanionic systems. The localization of these hydrophobic sites is very important to understand the variability and the reactivity of the EPS. The objective of our work was to engineer new fluorescent probes with amphiphilic or hydrophilic properties able to label the EPS. For that purpose, we have synthesized a series of fluorescent CdSe-core nanocrystals, also called Quantum Dots (QDs), modified at their periphery with hydrophilic (3-mercaptopropionic acid) or amphiphilic ligands (dihydrolipoic acid coupled to hydrophobic aminoacids like Leucine or Phenylalanine). Using confocal fluorescence microscopy and fluorescence correlation spectroscopy (FCS), we demonstrated that the functionalized QDs strongly associated with the EPS of S. oneidensis biofilms and allow imaging of these microbial communities. The location of these probes within the EPS was dependent on the surface ligand structure and on its density at the periphery of QDs. A homogeneous dispersion of hydrophilic QDs in the whole biofilm was observed, while amphiphilic QDs clusterized in the small hydrophobic domains. These new fluorescent probes will be of great use to understand the development and the reorganization of complex biological matrix like biofilms.

Les sources hydrothermales profondes sont des édifices géologiques formés par l’infiltration d’eau de mer dans la croûte océanique, formant un fluide chaud (>400 °C), riche en métaux qui précipite pour former des cheminées dans lesquelles circulent un courant électrique. Les travaux de recherche présentés ici avaient pour objectif de révéler la présence de microorganismes capable de participer à la production de ce courant électrique ou d’utiliser cette électricité pour vivre au sein de ces cheminées électriquement conductrices. Nous nous sommes focalisés sur les microorganismes capables de survivre à haute température (entre 60 et 95°C). Différentes communautés microbienne en interaction et électroactives ont pu être cultivées permettant de poser des hypothèses crédibles quant à la colonisation primaire de ces environnements extrêmes. Ces hypothèses pourraient également s’appliquer aux théories d’origine de la vie en contexte hydrothermal. / Deep hydrothermal vents are geologic structures formed by the infiltration of seawater into the oceanic crust, forming a hot metal-rich fluid (> 400 ° C) that precipitates to form chimneys in which an electric current flows. The purpose of the research presented here was to reveal the presence of microorganisms capable of participating in the production of this electric current or of using this electricity to live within these electrically conductive chimneys. We focused on microorganisms able to survive at high temperatures (between 60 and 95 ° C). Different interacting and electroactive microbial communities have been cultivated, allowing the building of credible hypotheses about the primary colonization of these extreme environments. These hypotheses could also be applied to theories of origin of life in a hydrothermal context.

L’élimination des micropolluants organiques est devenue aujourd’hui un objectif de santé publique car leur toxicité et bioaccumulation au travers de la chaine trophique sont incontestables. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et le nonylphénol (NP) présents en faible concentration dans l’eau usée sont peu éliminés par le traitement. Ces composés hydrophobes se retrouvent fortement sorbés à la matière organique des boues de station d’épuration. Les procédés de traitement de ces boues, comme la digestion anaérobie (DA) jouent un rôle central car ils constituent une des dernières barrières avant rejet vers l’environnement par épandage. La DA élimine les HAP et le NP mais les performances restent insatisfaisantes. L’objectif de cette thèse est d’améliorer les performances d’élimination des HAP et NP par la DA en utilisant l’électrolyse microbienne et l’ajout des matériaux conducteurs. Les résultats montrent que le graphite poreux permet de lever deux limites à la bioremédiation des HAP: le manque d'accepteurs d'électrons terminaux et la biodisponibilité limitée des HAP. En effet, le graphite poreux semble faciliter l'échange direct d'électrons avec la communauté syntrophique anaérobie ce qui améliore les performances d’hydrolyse de la matière et des contaminants associés, particulièrement, l’élimination de 12 HAP est accrue de 21 à 33 %. Pour le NP, les processus impliqués semblent être différents car aucune amélioration n’est observée quelles que soient les conditions.. L’addition du graphite non-poreux (avec une surface spécifique moindre) et du platine (avec une conductivité plus élevée) n’éliminait que deux HAP de faible poids moléculaire suggérant que la conductivité ne constitue pas un facteur majeur dans la dissipation des HAP. L’ajout du graphite poreux en plus grande quantité, par contre, n’a pas confirmé l’hypothèse qu’une augmentation de surface spécifique du matériau conducteur accroit également l’élimination des HAP. Lors de la DA assistée par différents matériaux, un enrichissement de méthanogènes hydrogénotrophs a été constaté qui pourra être à la racine des performances observées. Dans ce contexte, la composition microbienne de l’inoculum joue un rôle majeur dans l’ampleur d’une biodégradation des HAP. L'utilisation de matériaux conducteurs abordables tels que le graphite poreux et non-poreux pourrait présenter une stratégie de biodégradation alternative pour éliminer les HAP des boues, du sol ou des sédiments. / The elimination of organic micropollutants from the environment has become a public health goal today because of their toxicity and bioaccumulation through the trophic chain. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and nonylphenol (NP) are found at low concentrations in wastewaters. They are removed from wastewaters by sorption onto sewage sludge due to their hydrophobicity. Anaerobic digesiton (AD) that is used for sewage sludge treatmentThe treatments of these sludge, like anaerobic digestion (AD), therefore, plays a central role in reducing the micropollutant load before dissemination to the environment via sludge spreading. Removal performances of PAHs and NP are removed byunder AD are, yet, but limitedwith low performances. The aim of this PhD work is to enhance removalthese performances thanks to the use of two emerging techniques, microbial electrolysis and the addition of conductive materials. The results demonstrate that independent of the application of a potential porous graphite circumvents two limits of PAH bioremediation: the lack of terminal electron acceptors and PAHs’ limited bioavailability. Mediatorless electron exchange between the anaerobic syntrophic community and the conductive material presumably facilitates sludge hydrolysis which, in turn, leads to the enhanced bioavailability of PAHs and their subsequent biodegradation. The reductions of 12 PAHs were improved by 21 to 33% while NP was eliminated to the same extent in the digesters with and without conductive material. The addition of non-porous graphite (with less specific surface) and platinum (exhibiting higher conductivity) eliminated only two low molecular weight PAHs suggesting that conductivity is not a major factor in the dissipation of PAHs. The addition of porous graphite in larger quantities, however, did not support the hypothesis that an increase in specific surface area of the conductive material also enhances the removal of PAHs. During conductive material supplemented AD, an enrichment of hydrogenotrophic methanogens was ascertained which could be at the root of the removal performance. In this context, the microbial composition of the inoculum plays a major role in the extent of PAH biodegradation. The use of affordable conductive materials such as porous and non-porous graphite may present an alternative biodegradation strategy for removing PAHs from sludge, soil or sediments.

Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste responsable de pneumonies. Il est particulièrement impliqué dans la mortalité des patients sous ventilation mécanique et des patients atteints de la mucoviscidose. Ces infections sont difficiles à traiter en raison de l’existence de nombreuses résistances aux antibiotiques chez cette bactérie et des alternatives thérapeutiques s’avèrent donc nécessaires. Nous avons ainsi émis l’hypothèse qu’une application oropharyngée de lactobacilles pourrait permettre de limiter les infections à P. aeruginosa et leurs effets chez les patients concernés. L’objectif principal de ce travail était d’évaluer les effets d’un mélange de lactobacilles dans un modèle murin de pneumonie à P. aeruginosa. Les effets de lactobacilles isolés dans les cavités orales de volontaires sains sur la formation de biofilm et l’activité élastolytique de P. aeruginosa PAO1 ont été mesurés in vitro. Les effets des lactobacilles sélectionnés ont ensuite été évalués dans un modèle d’infection de cellules épithéliales respiratoires(A549) par P. aeruginosa PAO1 puis dans un modèle murin de pneumonie à P. aeruginosa PAO1. Les effets de 87 lactobacilles sur la formation de biofilm et l’activité élastolytique de P. aeruginosa PAO1 ont été déterminés in vitro,aboutissant à la sélection de 3 et 5 souches ayant respectivement inhibé la formation de biofilm et l’activité élastolytique de P. aeruginosa PAO1. Parmi ces souches, L. fermentum K.C6.3.1E, L. paracasei ES.D.88 et L. zeae Od.76,qui étaient les souches les plus actives contre la formation de biofilm ou l’activité élastolytique et les plus acidifiantes lors de croissances dans une salive artificielle, ont été associées dans un mélange testé dans un modèle cellulaire d’infection à P. aeruginosa PAO1. Ce mélange n’a pas eu d’effet cytotoxique et a démontré un effet cytoprotecteur vis-à-vis de l’infection à P. aeruginosa PAO1. In vivo, l’administration intratrachéale de ces mêmes bactéries de façon prophylactique a permis d’une part de réduire les charges pulmonaires en P. aeruginosa PAO1 et d’autre part de réduire ses effets pro-inflammatoires au niveau pulmonaire (IL-6, TNF-α). Ces résultats prometteurs laissent entrevoir la possibilité de nouvelles applications thérapeutiques pour les probiotiques. / Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic pathogen that causes pneumonia and which is involved in themortality of mechanically-ventilated or cystic fibrosis patients.These infections are difficult to treat because of the existence of many antibiotic resistances in P. aeruginosa and therapeutic alternatives are needed. Our hypothesis was that the use of probiotics could be an alternative to antibiotic therapy in order to reduce P. aeruginosa infections and its injurious and pro-inflammatory effects in lungs.The main goal of this work was to evaluate the effects of lactobacilli in a murine model of P. aeruginosa pneumonia.The first step of this work was to screen lactobacilli isolated from oral cavities of healthy volunteers against biofilmformation and elastolytic activity of P. aeruginosa PAO1. The effects of selected lactobacilli were then evaluated in amodel of infection of lung epithelial cells by P. aeruginosa PAO1 and in a murine model of P. aeruginosa PAO1pneumonia. Eighty-seven lactobacilli were tested in vitro, leading to the selection of 3 and 5 strains respectively active against biofilm formation and elastolytic activity. The most active strains (L. fermentum K.C6.3.1E, L. paracasei ES.D.88and L. zeae Od.76) toward biofilm formation and elastolytic activity were chosen to be tested in vitro, in a cell model of P. aeruginosa PAO1 infection. This mix showed cytoprotective effect against P. aeruginosa PAO1. Finally, the prophylactic intratracheal administration of the mix of lactobacilli in mice allowed to reduce the pulmonary loads in P.aeruginosa PAO1. In the same time, the pro-inflammatory effects(IL-6 and TNF- α) of the infection were reduced. These promising results suggest the possibility of new therapeutic applications for probiotics.

La contamination des ressources en eaux souterraines par une phase organique non miscible à l'eau couramment appelée NAPL (Non Aqueous Phase Liquid) constitue aujourd'hui un défi scientifique majeur compte tenu de la durée de vie d'un tel polluant. Bien que l'activité bactérienne (généralement présente sous forme de biofilm) joue un rôle crucial dans le devenir à long terme de ces effluents, peu d'études existent à l'heure actuelle sur son impact dans des conditions multiphasiques (i.e., à proximité de la source). En effet, dans la zone saturée, sous l'action des forces capillaires, le NAPL se retrouve souvent piégé, en effet, sous forme de «gouttelettes» au niveau des pores. Ce comportement spécifique au polluant modifie la dynamique du système biofilm/milieu poreux saturé et d'importantes questions restent encore ouvertes : accessibilité du polluant, modification de la tension interfaciale, production de biosurfactant, effet de toxicité (inhibition de la croissance bactérienne). Pour tenter de répondre à ces questions, nous avons adopté une approche aussi bien théorique qu'expérimentale. L'approche théorique porte sur le développement d'un modèle macroscopique décrivant le transport multiphasique en milieu poreux pour un système eau/NAPL/biofilm. Elle repose sur la méthode de prise de moyenne volumique, appliqué aux équations décrivant le couplage écoulement/transport à l'échelle du pore, permettant d'effectuer le changement d'échelle et dériver un modèle à deux équations. Le modèle est établit sous les hypothèses d'équilibre de masse local à l'interface fluide/biofilm et les contraintes associées à ces hypothèses ont étés définies. L'influence des caractéristiques microscopiques (arrangement des grains, fraction volumique du biofilm, distribution des blobs de NAPL, mouillabilité) sur les propriétés effectives du milieu (coefficient de dispersion, coefficient d'échange de masse) est discutée au travers des résultats issus des simulations. Ensuite, le modèle macroscopique a été comparé avec succès à la simulation numérique direct à l'échelle du pore pour la géométrie 2D complexe considérée. Quant à l'approche expérimentale, elle consiste à étudier le transport et la biodégradation du toluène en présence des bactéries Pseudomonas Putida F1 à l'aide d'un milieu poreux transparent 2D (micromodèle). Premièrement, nous avons étudié la dissolution du toluène résiduel sans bactéries et des courbes de dissolution du toluène ont été obtenues. Les résultats de dissolution du toluène en condition abiotique ont été comparés avec succès aux résultats du modèle théorique. Ensuite, l'étude expérimentale en micromodèle a porté sur la dissolution du toluène en condition biotique. Les résultats de ces études (courbes de dissolution et évolution de la saturation résiduelle) ont montré un impact significatif de la présence des bactéries sur les processus de dissolution par comparaison au cas abiotique. / Contamination of groundwater resources by an immiscible organic phase commonly called NAPL (Non Aqueous Phase Liquid) represents a major scientific challenge considering the residence time of such a pollutant. Although bacterial activity (usually in the form of biofilm) plays a crucial role in the long term fate of these effluents, very few works are focused on the study of such processes in multiphase conditions (oil/water/biofilm systems). The NAPL often gets trapped, in fact, under the action of capillary forces in the saturated zone in the form of «droplets» within the pores. This specific pollutant behavior changes the dynamics of biofilm /saturated porous medium system where important questions remain open: accessibility of the pollutant, changes in interfacial tension, biosurfactant production, toxicity effect (inhibition of bacterial growth). Modeling the transport of chemical species in the presence of bacteria is an extremely complex issue in terms of scale. We will use an experimental and theoretical approach to address these questions. In this thesis, we developed a macroscopic model describing multiphase transport in porous media for a water/NAPL/biofilm system. A volume averaging method has been applied here to the equations at the pore scale to make the upscaling and derive the model. This two-equation model is established under the assumptions of local mass equilibrium at the fluid/biofilm interface and the constraints associated with these assumptions were defined. The effect of microscopic features (arrangement of grains, volume fraction of the biofilm, distribution of NAPL blobs, wettability) on the effective properties of the media (dispersion coefficient, mass exchange coefficient) is discussed through some results from simulations. Subsequently, the macroscopic model has been successfully compared with the direct numerical simulation at pore scale for a 2D complex geometry. The experimental approach consists of studying transport and biodegradation of toluene in the presence of bacteria Pseudomonas Putida F1 using a flowcell. First, we studied the dissolution of toluene in abiotic conditions and toluene dissolution curves were obtained. The results of toluene dissolution in abiotic conditions were compared with success the results of the theoretical model. Finally, an experimental study in flowcell on the dissolution of toluene under biotic conditions was performed. The results of these studies (dissolution curve and evolution of toluene saturation) showed a significant impact of the presence of bacteria on the dissolution process compared to the abiotic case.

Les composés organiques hydrophobes (HOCs), lipides et hydrocarbures, représentent une part significative de la matière organique dans l’environnement marin. Leur faible solubilité dans l’eau exige de la part des bactéries qui les dégradent des adaptations physiologiques permettant de stimuler leur transfert de masse de la phase organique vers la phase aqueuse où ils sont assimilés. La formation de biofilm à l’interface HOC-eau est l’une de ces adaptations. La bactérie marine Marinobacter hydrocarbonoclasticus (Mh), qui est capable d’utiliser un catalogue assez large de HOCs comme les alcanes, les alcools gras et les triglycérides, a été utilisée comme modèle d’étude de la formation de biofilms aux interfaces HOCs-eau. Le but de mes recherches était de : (i) mener la caractérisation fonctionnelle des gènes aupA et aupB, qui sont surexprimés en condition de biofilm sur hexadécane et (ii) dresser, par une étude de transcriptomique, une liste de gènes potentiellement impliqués dans l’adhésion et la formation de biofilm aux interfaces HOCs-eau dans le but d’appréhender les mécanismes moléculaires mis en jeu. L’étude fonctionnelle de aupA et aupB a révélé que ces deux gènes forment un opéron dont l’expression est activée par divers types de HOCs. Il a aussi été démontré qu’ils sont impliqués dans le transport de l’hexadécane et dans la formation de biofilm sur alcanes. La protéine AupA est localisée dans la membrane externe de Mh et AupB, une lipoprotéine présumée, est située dans la membrane interne. AupA appartient à une sous-famille de transporteurs FadL-like, spécifique des bactéries marines hydrocarbonoclastes (HCB). La distribution phylogénétique de l'opéron aupAB limitée aux bactéries marines ayant la capacité de dégrader les alcanes et sa présence en nombreuses copies chez certaines souches d’Alcanivorax sp. suggèrent fortement que les protéines Aup joueraient un rôle primordial dans l’adaptation des HCB à l’utilisation d’alcanes comme sources de carbone et d’énergie. L’analyse transcriptomique des cellules de Mh adhérées (après 15 min ou 3 h de contact) ou formant un biofilm aux interfaces HOCs-eau a révélé une modification importante et précoce de leur transcriptome. De nombreux gènes intervenant dans le métabolisme des HOCs, la production de polysaccharides, la synthèse d’acides aminés et de protéines ribosomales présentent une expression modulée dès 15 min d’adhésion. La surexpression des gènes de flagelle et du chimiotactisme conjointement avec celle de gènes de pili en condition d’adhésion évoquent une possible mobilité des cellules de Mh à l’interface dans les étapes précoces du développement du biofilm. De plus, il semblerait que le facteur de transcription RpoN soit impliqué dans la régulation de la formation de biofilm chez Mh et que les prophages puissent intervenir dans la structure et/ou la dispersion du biofilm. Enfin, le rôle potentiel d’un îlot génomique dans la formation de biofilm sur trioléine a été suggéré. / Hydrophobic organic compounds (HOCs), such as lipids and hydrocarbons, represent a significant part of the organic matter in the marine environment. Their low solubility in water requires from bacteria that degrade them physiological adaptations to stimulate their mass transfer from the organic to the aqueous phase where they are assimilated. Biofilm formation at the HOC-water interface is one of those adaptations. The marine bacterium Marinobacter hydrocarbonoclasticus (Mh) which is able to use a broad range of HOCs such as alkanes, fatty alcohols and triglycerides, was used as a model to study the biofilm formation at HOCs-water interfaces. The aim of my research was to (i) conduct the functional characterization of aupA and aupB genes which are overexpressed in biofilm on hexadecane, (ii) draw up a list of genes, through a transcriptomic study, that are potentially involved in adhesion and biofilm formation at HOCs-water interfaces in order to understand the molecular mechanisms involved.Functional study of aupA and aupB revealed that these two genes form an operon whose expression is activated by various types of HOCs. They have also been shown to be involved in the transport of hexadecane and in biofilm formation on alkanes. The AupA protein is localized in the outer membrane and the predicted lipoprotein AupB is located at the inner membrane. AupA belongs to a subfamily of the FadL-like transporters, specific to marine hydrocarbonoclastic bacteria (HCB). The phylogenetic distribution of the aupAB operon restricted to marine bacteria having the ability to degrade alkanes and its presence in multiple copies in somestrains of Alcanivorax sp. strongly suggest that Aup proteins play a key role in the adaptation of HCB to use alkanes as carbon and energy sources. The transcriptomic analysis of Mh cells adhering (after 15 min or 3 h of contact) or forming a biofilm at HOCs-water interfaces revealed significant and early changes in their transcriptome. The expression of many genes involved in the metabolism of HOCs, polysaccharides production, amino acids and ribosomal proteins synthesis is modulated as early as 15 min of adhesion. The overexpression of flagella and chemotaxis genes together with that of pili in adhesion condition suggest a possible motility at the interface during the early stages of biofilm development. In addition, it appears that the transcription factor RpoN is involved in the regulation of biofilm formation in Mh and that prophages could play a role in the structure and/or dispersal of the biofilm. Finally, a potential role of a genomic island in biofilm formation ontriolein was suggested

Les bactéries forment des communautés spatiales adhérentes à des surfaces, appelées biofilms. Ces organisations bactériennes sont omniprésentes dans les milieux naturel, industriel et médical et peuvent porter atteinte à notre santé lorsqu’elles hébergent des agents pathogènes, parmi lesquels le médiatique Staphylococcus aureus sur lequel a porté l’ensemble de ce travail de thèse. Cette bactérie est l’une des principales causes d’infections chroniques, mais également d’infections nosocomiales, impliquant le plus souvent des biofilms. Il est aujourd’hui reconnu qu’une telle biostructure est un véritable bouclier à l’action des antimicrobiens et à celle du système immunitaire. Outre les résistances génétiques des bactéries pathogènes aux antibiotiques, l’hétérogénéité chimique et biologique de la structure tridimensionnelle des biofilms pourrait être à l’origine de ces phénomènes de tolérance et de chronicité d’infections. C’est à cette problématique que se rattache ce travail de thèse concernant l’action de la vancomycine sur des biofilms de S. aureus. Alors que les connaissances sur la réactivité de cet antibiotique clef avec S. aureus proviennent essentiellement d’études réalisées sur des cellules planctoniques, l’originalité de notre approche a été d’étudier la diffusion-réaction de la vancomycine in situ dans l’épaisseur des biofilms en utilisant en particulier des outils avancés de microscopie de fluorescence (Time-Lapse, FLIM, FRAP, et FCS). Nous avons ainsi évalué sa biodisponibilité dans la matrice d’exopolymères, ainsi que l’impact de la physiologie spécifique des bactéries incluses en biofilms sur l’activité de cet antibiotique, utilisé seul ou en association avec la rifampicine. Cette approche multidisciplinaire a permis une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans la singulière tolérance de ces biostructures à l’action des antibiotiques, et de souligner l’urgence de développer des approches préventives telles que le diagnostic précoce des infections impliquant des biofilms. / Bacteria form architecturally complex communities adherent to surfaces, known as biofilms. These structured living cells are ubiquitous and found in natural, industrial and medical environments. They can affect our health when they host pathogens as the well known Staphylococcus aureus species which constitute the main purpose of this thesis. This bacteria is one of the major causes of chronic and nosocomial infections, most often involving biofilms. It is now recognized that such biostructure is a true shield against the action of antimicrobial agents and the host immune system. In addition to the genetic resistance of pathogenic bacteria to antibiotics, the chemical and biological heterogeneity of biofilms could be the cause of these phenomena of tolerance and apparition of chronic infections. This work aimed at studying of the action of vancomycin on S. aureus biofilms. While the knowledge on the reactivity of this key antibiotic with S. aureus bacteria comes mainly from studies of planktonic cells, the originality of our approach was to study the diffusion-reaction processes of vancomycin in situ in the thickness of biofilms using particularly advanced fluorescence imaging tools (Time-Lapse, FLIM, FRAP and FCS). We thus assess its bioavailability in the exopolymeric matrix, and the impact of the cell physiology of bacteria included in biofilms on the activity of this antibiotic when used alone or in combination with rifampicin. This multidisciplinary approach has allowed a better understanding of the mechanisms involved in the particular tolerance of these biostructures to the action of antibiotics, and underlines the emergency to develop preventive approaches such as early diagnosis of infections involving biofilms.

La biodétérioration du béton, très courante dans les systèmes d'égouts et de traitement des eaux usées, entraîne une dégradation significative de la structure. Normalement, le processus peut être décrit par les deux étapes suivantes : 1) Des réactions biochimiques produisent des espèces agressives dans les biofilms qui tapissent la surface du béton. L'un des plus importants acides biogéniques que l'on trouve dans les canalisations d'égout est l'acide sulfurique (H2 SO4 ) que est produit par des bactéries sulfo-oxydante (BSO)à partir de l'hydrogène sulfuré (H2 S). 2) Les réactions chimiques entre les espèces agressives biogéniques et les produits d'hydratation du ciment sont responsables de la détérioration du béton. Un modèle de transport réactif est proposé afin de simuler les processus des détériorations chimique et biochimique des matériaux cimentaires en contact avec les BSO et le H2 S ou une solution d'acide sulfurique. L'objectif de ce modèle est de résoudre simultanément le transport et la biochimie / chimie dans les biofilms et les matériaux cimentaires par une approche globale couplée. Afin de fournir un environnement approprié pour la croissance des BSO, la neutralisation de la surface du béton (i.e., l'absorption de H2 S et la corrosion aqueuse de H2 SO4 ) est considérée. Pour obtenir la quantité de H2 SO4 biogénique, la bio-oxydation du H2 S par l'activation des bactéries est simulée par un modèle simplifié. Puis, pour alimenter un environnement convenable pour la croissance des BSO, la réduction abiotique du pH du béton est introduite. Le taux de production de H2 SO4 est régi par la valeur du pH dans les biofilms et la quantité de H2 S dans le gaz. On fait l'hypothèse que tous les processus chimiques sont en équilibre thermodynamique. La dissolution de la portlandite (CH) et du silicate de calcium hydratés (C-S-H), ainsi que la précipitation de gypse (CSH2) et du sulfure de calcium sont décrites par la loi d'action de masse et le seuil des produits d'activité ionique. Pour prendre en compte la décroissante continue du rapport Ca/Si lors de la dissolution de la C-S-H, une généralisation de la loi d'action de masse est appliquée. En simplifiant le processus de précipitation du gypse, un modèle d'endommagement est introduit pour caractériser la détérioration du béton due au gonflement du gypse. Ainsi, l'évolution de la porosité et de la profondeur de la détérioration pendant le processus de dégradation sont pris en compte. Seule la diffusion des espèces aqueuses est considérée. Différents coefficients de diffusion sont utilisés pour divers ions et l'équation de Nernst-Planck est implémentée. L'effet, pendant la détérioration, de la modification de la microstructure sur les propriétés de transport est aussi considéré. Pour les biofilms et les matériaux cimentaires, les équations d'équilibre de masse totale de chaque atome (Ca, Si, S, K, Cl) sont utilisées pour coupler les équations de transport et les réactions (bio) chimiques. Le modèle est implémenté dans un code volumes finis, Bil. Grâce à l'introduction de la méthode des volumes finis, on illustre le couplage du processus bio-chimie dans les biofilms et le processus de la chimiedes matériaux cimentaires. Par ce modèle, certaines expériences rapportées dans la littérature, dont des tests d'immersion chimiques (condition de la solution statique et condition de la solution d'écoulement) et des simulations microbiologiques, sont simulées. Les résultats numériques et les observations expérimentales sont comparés et discutés. L'influence des propriétés des matériaux cimentaires (porosité initiale, couche carbonatée, etc.) et les facteurs d'environnement (concentration de H2 SO4 quantité de H2 S etc) sont aussi étudiés par ce modèle. En outre, une prédiction à long terme est menée / Bio-deterioration of concrete, which is very common in sewer system and waste water treatment plant, results in significant structure degradation. Normally, the process can be described by the two following parts: 1) Biochemistry reactions producing biogenic aggressive species in biofilms which are spread on the surface of concrete. As one of the most significant biogenic acid in sewer pipes, sulfuric acid (H2SO4) is produced by sulfur oxidizing bacteria (SOB). 2) Chemical reactions between biogenic aggressive species and cement hydration products which is responsible for concrete deterioration. A reactive transport model is proposed to simulate the bio-chemical and chemical deterioration processes of cementitious materials in contact with SOB and H2S or sulfuric acid solution. This model aims at solving simultaneously transport and biochemistry/chemistry in biofilms and cementitious materials by a global coupled approach. To provide an appropriate environment for SOB to grow, the surface neutralization of concrete (i.e., the absorption of H2S and aqueous H2S corrosion) is considered. To obtain the amount of biogenic H2SO4, the bio-oxidation of H2S by the activation of bacteria is simulated via a simplified model. To provide a suitable environment for SOB to grow, the abiotic pH reduction of concrete process is introduced. The production rate of H2SO4 is governed by the pH in the biofilms and the content of H2S in gas.It is assumed that all chemical processes are in thermodynamical equilibrium. The dissolution of portlandite (CH) and calcium silicate hydrates (C-S-H) and the precipitation of gypsum (C¯S H2) and calcium sulfide are described by mass action law and threshold of ion activity products. To take into account the continuous decrease of the Ca/Si ratio during the dissolution of C-S-H a generalization of the mass action law is applied. By simplifying the precipitation process of gypsum, a damage model is introduced to characterize the deterioration of concrete due to the swelling of gypsum. Thus, the porosity evolution and deterioration depth during deterioration process are taken into account. Only diffusion of aqueous species are considered. Different diffusion coefficients are employed for various ions and Nernst-Planck equation was implemented. The effect of the microstructure change during deterioration on transport properties is considered as well. For both biofilms and cementitious materials, the balance equations of total mass of each atom (Ca, Si, S, K, Cl) are used to couple transport equations and (bio-)chemical reactions. The model is implemented within a finite-volume code, Bil. Following the introduction of principle of the finite volume method, the coupling of the bio-chemistry process in biofilms and chemistry process in cementitious materials is illustrated. By this model, some experiments reported in literature, including chemical immersion tests (statical solution condition and flow solution condition) and microbiological simulation tests, are simulated. The numerical results and the experimental observations are compared and discussed. The influence of properties of cementitious materials (initial porosity, carbonated layer, etc.) and environmental factors (concentration of H2SO4, content of H2S, etc.) are investigated by this model as well. Furthermore, a long term predictionis conducted