Le procédé à biofilm R3F / MBBR est une technologie récente en France qui vient s'ajouter à la gamme des procédés biologiques de traitement de la matière organique et azotée des eaux usées. Sa valeur ajoutée repose sur sa compacité grâce au développement d'une quantité importante de biomasse bactérienne dans un ouvrage à emprise au sol faible. Ainsi, le procédé R3F / MBBR s'avère être une solution intéressante pour le traitement de l'azote dans un contexte de contrainte foncière importante. Le principe de la technologie est l'emploi de biomédias, supports plastiques de quelques centimètres, sur lesquels un biofilm bactérien se développe. Ces biomédias sont mis en suspension dans le réacteur par insufflation d'air ou par brassage mécanique. Aujourd'hui, la modélisation est devenue un outil précieux d'aide au dimensionnement. S'il existe beaucoup de modèles de biofilm aujourd'hui, peu de travaux de recherche ont abouti à l'élaboration d'un modèle dynamique R3F / MBBR à destination de l'ingénierie et capable de simuler le procédé en conditions réelles. Ainsi, l'objectif principal de cette thèse est la construction d'un modèle dynamique utilisable en ingénierie. La validation d'un tel modèle avec des données de terrain n'ayant pas encore été faite, ce point constituera une originalité. Pour ce faire, le fonctionnement d'une unité pilote R3F alimentée par des eaux résiduaires urbaines a été étudié. Le suivi du pilote pendant près de 2 ans en régime pseudo-permanent a d'abord permis d'évaluer les performances de 3 biomédias, travail là encore jamais réalisé. Ensuite, le régime dynamique, par l'application d'à-coups de charge hydraulique à une charge surfacique appliquée donnée, a été étudié. Une campagne de mesure intensive pendant une période de 4 jours en régime dynamique a servi de base pour le calage du modèle. Une période de 30 jours en régime pseudo-permanent a servi de base pour la validation du modèle.Ce travail de modélisation a abouti à l'élaboration d'un protocole de calage qui informe des paramètres à mesurer, et à modifier pour obtenir un modèle dynamique du procédé R3F / MBBR capable de simuler son fonctionnement en conditions réelles. Des protocoles de mesure ont également été élaborés pour estimer la valeur des paramètres à mesurer. Des simulations prédictives réalisées avec le modèle nouvellement calé ont ensuite permis d'évaluer le procédé dans de nouvelles conditions de fonctionnement. Une étude critique du modèle a abouti à la détermination de faiblesses qui limitent la qualité des simulations. Pour ces faiblesses, des propositions d'amélioration ont été apportées. / The R3F / MBBR biofilm process is a relatively recent technology in France able to treat organic and nitrogen matters from domestic wastewaters. Its advantage is its compactness due to the development of a significant quantity of bacterial biomass in a tank with low surface area. Thus, the R3F / MBBR process is a relevant solution for nitrogen treatment in a difficult property context. The principle of this technology is the plastic carriers of few centimeters use, on which a bacterial biofilm grows. These carriers freely move in the tank thanks to a air flow rate or a mixing. Nowadays, modeling has become a relevant tool for design. Lots of biofilm models exist but few research works have led to the carrying out of a R3F / MBBR dynamic model for engineering and able to simulate the process in real conditions. Thus, the principal objective of this thesis is the achievement of a R3F / MBBR dynamic model useful in engineering. The validation of such a model with experimental measurements has never been carried out and will represent an original point. The operating of a R3F pilot-scale wastewater plant fed with domestic wastewater has been studied. The follow-up of the pilot-scale unit, during almost 2 years, has first allowed evaluating the performances of 3 carriers in steady state, a work that has never been achieved. Then, the dynamic state has been studied in applying peak-loads but conserving the daily loading. During 4 days, an intensive measurement campaign in dynamic state has been used to calibrate the model. Another 30 days in steady state has been used to validate the model. This modeling work has led to a calibration protocol which informs about the parameters to measure, and to adjust in order to obtain a R3F / MBBR dynamical model able to simulate its operating in real conditions. Some measurement protocols have also been created to estimate the value of parameters to measure. Some predictive simulations carried out with the calibrated model have then allowed assessing the process in new operating conditions. A critical study of the model has led to the identification of some weaknesses which limit the quality of simulations. Thus, propositions to enhance the model have been brought.

Ce travail a pour but le développement d'une nouvelle classe de surfaces destinée à la lutte contre la formation de biofilms. Ces surfaces se basent sur l'immobilisation de nanoréacteurs, résultant de l'auto-assemblage d'un copolymère amphiphile poly(isobutylène)-bloc-oligonucléotide sous forme de vésicules encapsulant une enzyme. Le rôle de cette enzyme est de produire des agents antimicrobiens à partir de précurseurs inactifs. Le copolymère a été synthétisé et caractérisé par des techniques complémentaires et le maintien de l'activité enzymatique a été démontré. Les surfaces bioactives sont finalement obtenues par l'immobilisation des nanoréacteurs grâce aux capacités d'hybridation des séquences nucléiques complémentaires. Nous avons d'abord montré l'influence des deux densités d'oligonucléotides utilisées sur le nombre d'E.coli adhérentes, due probablement aux variations de charges surfaciques associées. Nous avons ensuite confirmé l'influence des curli sur la cohésion des biofilms et mis en évidence une surexpression de la production de curli en présence d'oligonucléotides sur les surfaces, et ce, indépendamment de la séquence et de la topographie considérées. Finalement, nous avons observé un effet antiadhésif lié aux structures vésiculaires indépendant de la topographie de la surface. L'étude complémentaire, menée en mode de culture dynamique, a conduit à envisager que les propriétés mécaniques de la surface affectent la rétention des bactéries en modifiant leur mobilité sur la surface. L'analogie avec des résultats obtenus sur des hydrogels d'agar de différentes duretés conforte cette hypothèse. Ces résultats posent les fondements permettant d'envisager de nouvelles stratégies dans la lutte contre la formation des biofilms. / The aim of this work is to develop a new strategy for the prevention of biofilm growth. For this purpose, we prepared bioactive surfaces resulting from the surface-immobilization of nanoreactors self-assembled from amphiphilic poly(isobutylene)-block-oligonucleotide copolymers. The block copolymer was synthesized and characterized via appropriate complementary techniques. Self-assembly into vesicles allowed the functional encapsulation of enzymes, as assayed through enzyme activity monitoring, leading to a prodrug-drug system. The self-assembled structures were specifically immobilized on surfaces via base pairing between the oligonucleotide block of the copolymer and the surface tethered complementary nucleotide sequence. Using E.coli strains, we first observed an influence of the two density of oligonucleotides immobilized on the surface on the number of adherent bacteria. This influence may be due to an effect of surface charge density. We then confirmed the well-known role of curli in biofilm cohesion, and we showed gene over-expression associated with curli production on oligonucleotide-modified surfaces. We demonstrated that gene over-expression does not depend on the topographical features of the surface or on the composition of the nucleotide sequences used in this study. Finally, we demonstrated tha the presence of the vesicular structure is able to produce strong anti-adhesive properties of the surface. We assume, from observations of bacterial response in dynamic conditions, that this effect is due to increased bacterial motility on the surface, leading to a high detachment rate. Which is further confirms by a comparable bacterial response observed on agar hydrogel of different hardnesses. This result provides a preliminary outcome, paving the way to new approaches to antimicrobial strategies.

Bien que les microorganismes pathogènes soient rarement détectés au sein de réseaux de distribution d'eau potable, ils peuvent constituer un danger pour la santé humaine en cas de contamination accidentelle. Le devenir des virus entériques au sein d'un système de distribution d'eau est largement méconnu, alors que de telles informations sont nécessaires pour améliorer les procédures de prise en charge en cas d'incidents. Dans ce contexte, trois bactériophages ARN F-spécifiques, MS2, GA et Q[bêta], ont été utilisés comme modèles des virus entériques pathogènes, dans des conditions expérimentales mimant un système de distribution d'eau. Ce travail visait d'une part à comparer l'accumulation des phages sur des surfaces en polyéthylène haute densité (PEHD) colonisées ou non par des biofilms d'eau potable et d'autre part à évaluer, sur les bactériophages adhérés, l'efficacité de protocoles de nettoyage basés sur une chloration ainsi qu'une augmentation des contraintes hydrodynamiques. En résumé, les différentes vitesses d'eau étudiées n'ont pas conduit à des différences significatives dans l'accumulation des bactéries et des phages sur les surfaces, mais ont toutefois abouti à des concentrations surfaciques en phages significativement supérieures à celles observées en conditions hydrostatiques. Quelles que soient les conditions expérimentales (vitesses d'eau à la surface, présence ou absence d'un biofilm), le bactériophage MS2 présente systématiquement les plus faibles concentrations sur les surfaces. La séquence d'adhésion des trois bactériophages sur biofilms est en accord avec leur séquence d'hydrophobicité. Le protocole de chloration (4 à 5 mg Cl2.L-1) évalué dans cette étude peut être ponctuellement appliqué en cas de contamination de l'eau. Après 60 minutes de chloration, l'abattement est de 0,7 log10 pour les bactéries et il est compris entre 2 et 3 log10 pour les phages adsorbés sur les surfaces, alors qu'aucun phage infectieux n'est plus détecté dans l'eau dès 5 minutes de chloration. Ces résultats soulignent l'effet protecteur du biofilm, même jeune. Enfin, la chloration apparaît être plus efficace que l'augmentation des contraintes hydrodynamiques pour éliminer les bactériophages adhérés aux surfaces / Although pathogens remain widely uncommon in water distribution networks, they may constitute a real threat for human health when accidentally introduced in the system. There is a lack of knowledge about virus behaviour into water distribution systems whereas such information is critical for a better viral risk management. In this context, three F-specific RNA bacteriophages -MS2, GA and Qbeta- were used as models, in experimental conditions mimicking water distribution systems. The purpose of the present work was at first to compare the viral accumulation of bacteriophages on high-density polyethylene (HDPE) colonised or not with drinking water biofilms. The second objective was to evaluate, on phages adsorbed in the biofilm, the efficiency of a cleaning protocol, based on chlorination and increase in the hydrodynamic strengths. To sum up, the water velocities tested in this work had little influence on both the bacterial and virus accumulation on surfaces, but applying a water flow led to an increase in the number of adsorbed phages in comparison with hydrostatic conditions. Whatever the conditions (water velocity, colonisation or not with a biofilm) MS2 phage was found to be the less adherent one. On HDPE colonised with a two-month old biofilm, the adhesion sequence was consistent with the sequence of hydrophobicity of the phages. The chlorination protocol tested in our study (4 to 5 mg CL2/L) can be applied punctually in distribution networks. After 60 minutes of chlorination the log-reduction was about 0.7 log10 for bacteria and between 2 and 3 log10 for bacteriophages, while no more infectious phages were detected in water after 5 minutes. Those results highlight that even two-month-old biofilms provide to viruses a protection against disinfection protocol. At last, the chlorination appears to be more efficient to inactivate viruses adsorbed on surfaces than an increase in the water flow velocity

Ce travail nous a permis de proposer un cadre pour sonder la morphogenèse d'une micro-colonie bidimensionnelle. Plus particulièrement, nous avons exploré la manière dont les effets individuels de croissance et d'adhésion se combinaient au cours de la croissance de la micro-colonie. Nous avons montré (i) que l'adhésion de cellules isolées est asymétrique du fait d'un vieux pôle plus ancré et (ii) que l'allongement des bactéries peut induire des forces de poussée à l'intérieur des colonies. Dans la mesure où ces deux effets, combinés à l'échelle d'une micro-colonie, sont susceptibles de générer des contraintes mécaniques, nous avons développé une technique pour mesurer les forces d'adhésion résultantes à l'aide de substrats déformables. Nous avons ainsi démontré que des adhésions focales sont créées et rompues dynamiquement, avec un biais au vieux pôle des cellules. Nous avons aussi examiné le rôle de l'adhésion sur la forme des colonies. Nous avons montré que l'adhésion polaire était responsable de la transition d'un régime de croissance linéaire à un régime bidimensionnel qui est observée après la première division. Pour des colonies de taille plus importante, le niveau d'adhésion était aussi corrélé avec la forme globale des colonies. Enfin, l'adhésion est aussi impliquée dans la transition d'une colonie bidimensionnelle à une colonie tridimensionnelle. L'ensemble de ces résultats suggère que l'expression des adhésines ainsi que leur localisation à la surface des cellules pourraient permettre aux bactéries de moduler activement la forme du groupe dans lequel elles vivent. / In this work, we propose a framework to understand the morphogenesis of two-dimensional microcolonies. In particular, we have explored how growth and adhesion of individual cells compete during microcolony extension. We have shown (i) that isolated cells display an asymmetry in their adhesion, which is higher at the old pole, (ii) that bacterial elongation can result in pushing forces inside the colony. Since the combination of these two effects is expected to produce mechanical stress at the scale of the microcolony, we have developed a method to measure the resulting adhesion forces using deformable substrates. We have demonstrated that focal adhesions are dynamically established and ruptured, with a bias towards the old poles. We have also probed the role of adhesion in the shape of the colony. We have shown that polar adhesion drives the transition from a linear to a two-dimensional growth after the first division. At larger colony sizes, the level of adhesion continues to correlate with the global shape of the colony. Finally, adhesion is involved in the transition from a two-dimensional to a three-dimensional colony. Taken together, our results suggest that the expression of adhesins and their location at the surface of the cells could be levers by which bacteria actively modulate the shape of the group in which they reside.

En 1997 Stuard L. Fischman a dit « Certainement on mange bien, on parle bien, on a l'air bien et on « sent frais » - mais on a aussi la plaque dentaire, la gingivite et les caries dentaires. Le lecteur peut déterminer les progrès réalisés en réfléchissant à son état de santé bucco-dentaire personnel! ». Vingt ans plus tard cette affirmation reste valide. L'acte le plus commun d'hygiène buccale est de se nettoyer les dents par brosse à dents, eau et dentifrice. Le rôle principal de la brosse à dents et du dentifrice est d'éliminer le biofilm dentaire responsable des maladies buccales. Il est largement admis que le biofilm dentaire est éliminé au moyen de particules de nettoyage trouvés dans la composition du dentifrice. Puisque le mécanisme des particules nettoyantes est couramment supposé abrasif, la recherche sur le nettoyage des dents a été principalement conduite du point de vue « abrasif », elles sont ainsi appelées « particules abrasives ». Néanmoins, le nettoyage des dents est un processus complexe impliquant plusieurs mécanismes (biochimiques, physico-chimiques et mécaniques), chacun activé par des facteurs à la fois internes (comme l'environnement oral individuel et les habitudes individuelles d'hygiène buccale) et externes La conception de la brosse à dents et la composition de dentifrice). Ce travail a commencé à partir de l'idée que le nettoyage des dents ne peut pas être réduit à un processus d'abrasion; par conséquence, afin d'acquérir une connaissance plus profonde du comportement réel des particules nettoyantes, il est nécessaire de comprendre la contribution de chaque mécanisme d'action impliqué. Un système biomimétique a été développé pour reproduire la brosse à dents, l'émail dentaire, la pellicule exogène acquise et le dentifrice (une suspension simplifiée à base de silice). Le système a été analysé d'un point de vue tribologique, en adoptant la théorie du « troisième corps » et en utilisant différentes techniques expérimentales (spectroscopie infrarouge, microscopie à force atomique, la microscopie électronique à balayage). On a déterminé la contribution de la mécanique et de la physico-chimie de la surface de l'émail dentaire, de la chimie du dentifrice et de la mécanique de la brosse à dents. Les résultats ont montré que la pellicule exogène acquise biomimétique n'a pas été rayée pendant le nettoyage des dents, mais plutôt lissée ou enlevée, ce qui suggère que l'abrasion n'est pas le mécanisme «gouvernant» du processus de brossage des dents. En effet, un mécanisme de «lubrification fractionnée» est supposé intervenir, favorisant la formation des agglomérats de silice supportent la charge normale dans des zones de contact localisées. L'efficacité du processus de nettoyage des dents est censée être contrôlée par la taille des agglomérats de silice, qui dépend à son tour de la mécanique et la physico-chimie de la surface de l’émail dentaire, de la chimie du dentifrice et de la mécanique de la brosse à dents. / In 1997, Stuart L. Fischman wrote “We certainly eat well, speak well, look fine and ‘smell fresh’—but we also have plaque, gingivitis and dental caries. The reader can determine how much progress has been made by reflecting on his or her personal oral health status!” Two decades later, this affirmation is still valid. The most common act of oral hygiene is to clean one’s teeth via toothbrush, water, and dentifrice. The main role of toothbrush and dentifrice is to remove the dental biofilm responsible for oral diseases. Over the years, several studies have focused on improving toothbrushing techniques, toothbrush design, and dentifrice composition, often leading to conflicting results. It is largely accepted that dental biofilm is removed by means of cleansing particles, which can be found in many dentifrice compositions. Since the mechanism of the cleansing particles is commonly believed to be abrasive, research on teeth cleaning has been mainly conducted from an ‘abrasive’ point of view, so much so that cleansing particles are frequently referred to as ‘abrasive particles’. Nonetheless, teeth cleaning is a complex process involving several mechanisms (bio-chemical, physico-chemical, and mechanical), each one activated by factors that are both internal (such as individual oral environment and individual oral hygiene habits) and external (such as toothbrush design and dentifrice composition). This work started from the idea that teeth cleaning cannot be reduced to an abrasion process; consequently, in order to gain deeper knowledge about the actual behavior of the cleansing particles, it is necessary to understand the contribution of each mechanism involved. A biomimetic system was developed to reproduce toothbrush, dental enamel, acquired enamel pellicle, and dentifrice (modeled as a silica-based slurry). The system was analyzed from a tribological point of view, adopting the ‘third-body approach’ and employing different experimental techniques such as infrared spectroscopy, atomic force microscopy, and environmental scanning electron microscopy. The contribution of the dental enamel surface mechanics and physico-chemistry, of the dentifrice chemistry, and of toothbrush mechanics was assessed. Results showed that the biomimetic acquired enamel pellicle was not scratched during teeth cleaning, but rather smoothened or removed, suggesting that abrasion is not the governing mechanism of the toothbrushing process. Indeed, a ‘fractionated lubrication’ mechanism is believed to take part, promoting the formation of silica agglomerates that bear normal load at localized contact areas. The effectiveness of the teeth cleaning process is believed to be controlled by the size of the silica agglomerates, which in turn depends on dental enamel surface mechanics and physico-chemistry, dentifrice chemistry, and toothbrush mechanics.

Lorsqu'un biofilm se développe dans des conditions statiques, deux populations, sessiles et planctoniques, coexistent et peuvent échanger des cellules. Cependant, l'immigration de cellules planctoniques dans un biofilm n'a, jusqu'à présent, fait l'objet que de peu d'études dans le cas d'un biofilm monoespèce. Chez B. cereus, un pathogène alimentaire, notre équipe a récemment montré que des bactéries planctoniques mobiles peuvent pénétrer en profondeur à l'intérieur d'un biofilm formé en immersion. L'objectif du présent travail était, en partant de ces données, de déterminer le rôle du recrutement dans le développement du biofilm formé en interface air-liquide, et de caractériser ce processus d’un point de vue physiologique et moléculaire. Nous avons montré que la population planctonique est massivement recrutée par le biofilm, mais que, dans nos conditions expérimentales, ce recrutement ne contribue que de façon marginale à la croissance du biofilm. Nous avons mis au point deux dispositifs expérimentaux (en interface air-liquide et en immersion) permettant de quantifier le recrutement, ce qui nous a permis de cribler une banque de mutants, obtenue par mutagenèse aléatoire, pour sélectionner des clones inaptes à être recrutés. Le criblage de 1700 clones a abouti à la sélection d'un gène: Bthur002_62720. La délétion de ce gène par échange allélique affecte fortement la capacité du mutant à être recruté, et la complémentation rétablit le phénotype sauvage. Ce gène code pour une protéine probablement localisée dans l'enveloppe bactérienne. Il est porté par un plasmide, pCT8513, et pourrait être un élément mobile dont l'acquisition augmenterait fortement la capacité de la bactérie réceptrice à être recrutée par un biofilm. Enfin, nous avons mis en évidence le rôle du locus eps dans le recrutement des cellules planctoniques par un biofilm formé en interface air-liquide. Ce locus est homologue du locus epsA-O de Bacillus subtilis, requis chez cette espèce pour la production des exopolysaccharides de la matrice du biofilm. Chez B. cereus, nous avons montré que le locus eps est impliqué dans la formation d’une gaine d’exopolysaccharides faiblement liée à la paroi bactérienne. Cette couche d'exopolysaccharides contribue, avec d'autres exopolysaccharides d'origine inconnue, à la formation de la matrice du biofilm, et joue un rôle important dans l'adhésion de la bactérie sur des surfaces inertes et vivantes. En favorisant l'adhésion de la bactérie sur des surfaces vivantes, le locus eps pourrait faciliter son intégration dans le biofilm. Il pourrait également être impliqué dans le pouvoir pathogène de la bactérie. / When biofilm is developing in static conditions, cell exchanges between sessile and planktonic coexisting population can emerge. Up to now, very few are known about the implication of planktonic cells integration in monospecies biofilm development. in B. cereus, a foodborne pathogen, our team have shown that motility is a key factor for biofilm development and for the deep penetration of motile planktonic bacteria inside a biofilm formed in immersed condition. Based on these data, the purpose of the present work was to determine the role of recruitment in the development of biofilm in air-liquid interface and to characterize this phenomenon physiologically and in a molecular aspect. We showed that a massive planktonic population is integrated in the developing biofilm, however, in our experimental conditions this recruitment contributes only marginally to the biofilm growth. We have developed two recruitment systems (in air-liquid interface and in immersion condition), to quantify recruitment, which has allowed us to screen a library of mutants obtained by random mutagenesis in order to select clones unable to be recruited by a preformed biofilm. Screening of 1700 clones resulted in the selection of a gene: Bthur002_62720. The deletion of this gene by allelic exchange strongly affects the ability of the mutant to be recruited, and complementation restored the wild type phenotype. This gene encodes a protein probably localized in the bacterial envelope. It is carried by a plasmid, pCT8513, and could be a mobile element whose acquisition would greatly increase the ability of the recipient bacterium to be recruited by a biofilm. Finally, we have highlighted the role of the eps locus in the recruitment of planktonic cells in a biofilm formed at air-liquid interface. This locus is homologous to Bacillus subtilis epsA-O locus, required in this species for the production of exopolysaccharides of the biofilm matrix. In B. cereus, we have shown that the eps locus is involved in the formation of an exopolysaccharides sheath weakly bound to the bacterial cell wall. This exopolysaccharides layer contributes with other exopolysaccharides of unknown origin, to the formation of the biofilm matrix, and plays an important role in the adhesion of bacteria on inanimate and living surfaces.By promoting bacterial adhesion on living surfaces; the eps locus could help bacteria integration into the biofilm. It could also be involved in the pathogenicity of bacteria.

Le phénomène de biofouling affecte toute surface immergée dans un milieu aqueux, le recouvrant par un biofilm que ce soit dans le milieu médical ou marin. Afin de lutter contre ce phénomène, lors de ce travail, des matériaux biosourcés à base d’alginate ont été élaborés. Pour des applications dans le milieu médical, des films d’hydrogel de surface lisse ou poreuse et des films déposés sur acier par électrophorèse ont été élaborés. La présence de cuivre et zinc sous leur forme ionique Cu2+ et Zn2+ a été démontrée. Tous les films à base de cuivre et de zinc ont montré des propriétés antibactériennes contre des souches de bactéries pathogènes. Des volumes d’hydrogel d’alginate à base de calcium, cuivre et zinc ont été aussi élaborés pour des applications dans le monde marin. La stabilité des différents matériaux a été étudiée dans différents milieux et à différentes températures. La propriété antimicrobienne de ces hydrogels a été démontrée sur deux souches de microalgues ainsi que sur quatre souches de bactéries marines sans toxicité. Finalement, le retardement de la formation de biofilms sur la surface d’acier inoxydable a été étudié par la méthode d’OCP en présence de matériaux à base de zinc. / Biofouling is a phenomenon that affects every surface that is immersed in an aquatic medium covering it by a biofilm either in the medical or marine field. In order to prevent this phenomenon, in this work, biosourced alginate materials were elaborated. For applications in the medical field, hydrogel films of smooth or porous surface and films coating stainless steel by electrophoresis were elaborated. The presence of copper and zinc in their ionic form Cu2+ and Zn2+ was demonstrated.All the copper and zinc based films showed antibacterial properties on pathogenic bacterial strains.Alginate hydrogels in bulk based on calcium, copper and zinc were also elaborated for applications in the marine field. Stability of the different materials was studied in different mediums and at different temperatures. The antimicrobial property of these hydrogels based on copper and zinc was demonstrated on two microalgae stains as well as on four marine bacteria strains with no sign of toxicity. Finally, the delay in the formation of biofilms on stainless steel surfaces was studied by the OCP method in the presence of zinc based materials.

Le biofilm est défini comme une communauté microbienne adhérant à une surface biotique ou abiotique, et engluée dans une matrice extracellulaire auto-produite. Les biofilms naturels sont composés de plusieurs espèces microbiennes et leurs interactions, qu'elles soient synergiques ou antagonistes, jouent un rôle important dans le développement, la composition et le fonctionnement des consortia impliqués. De plus, ces relations impliquent souvent la production de molécules antagonistes limitant la croissance ou l'adhésion bactérienne. Enfin la composition de la matrice extracellulaire joue un rôle important dans la robustesse du biofilm. Au cours de ce travail, l'étude des interactions au sein de biofilms mixtes constitués par K. pneumoniae et S. epidermidis a permis d'isoler un polysaccharide produit par K. pneumoniae, capable d'inhiber l'adhésion aux surfaces abiotiques de plusieurs autres espèces bactériennes à Gram-négatif et à Gram-positif. La caractérisation physico-chimique de cette molécules de haut poids moléculaire a permis de mettre en évidence qu'elle était composée de galactose, glucose, rhamnose et d'acide glucuronique. Par ailleurs, l'analyse d'extraits de mutants déficients pour la production de capsule a montré que ce polysaccharide correspondait à la capsule de K. pneumoniae. Son mode d'action consisterait à inhiber les interactions initiales entre bactéries et surface. Le suivi dans le temps de la formation de biofilm monospecies par K. pneumoniae avec la technique Biofilm Ring Test® a également permis de mettre en évidence un phénotype original. En effet, la détection initiale d'agrégats bactériens est suivie par une modification apparente de leur structure, qui serait liée à des changements de leur robustesse face aux forces d'aimantation magnétique. La présence d'ADN extracellulaire au sein de la matrice du biofilm pourrait jouer un rôle dans la survenue de ce phénotype comme l'indique les mesures effectuées en présence de l'enzyme DNAse I. En parallèle, l'observation de biofilm formés par K. pneumoniae dans des modèles expérimentaux cinétiques a mis en évidence des décrochements massifs de biomasse au cours de la maturation du biofilm, qui pourraient être corrélées aux modifications internes de robustesse de la matrice. L'ensemble de ces données permet de mieux caractériser les interactions intimes survenant à l'intérieur de biofilms constitués par K. pneumoniae et à terme de mieux caractériser et donc prévenir leur formation et dissémination. / Biofilms are defined as microbial communities adhering to biotic or abiotic surfaces and embedded in a self-produced extracellular matrix. Natural biofilms are composed of several microbial species and their interactions, synergistic or antagonistic, play important roles in development, composition and functioning of the consortia. Furthermore, the relationships often involve the production of antagonist molecules that impair competitors' growth or adhesion. The composition and evolution of the extracellular matrix plays also an important role in the biofilms' robustness. In this work, study of the interactions within biofilms formed by K. pneumoniae and S. epidermidis led to the isolation of a polysaccharide produced by K. pneumoniae able to inhibit the adherence to abiotic surfaces of several Gram-negative and Gram-positive bacterial species. The physico-chemical characterization of this high molecular weight molecule showed it was composed of galactose, glucose, rhamnose and glucuronic acid. This data, together with the analysis of extracts from capsule-deficient mutants, indicated that the capsule of K. pneumoniae was responsible for the biofilm inhibition phenotype, probably by inhibiting the initial interactions between bacteria and surface. By monitoring the formation of monospecies biofilm by K. pneumoniae with the Biofilm Ring Test® technique, we were able to detect an original phenotype. Indeed, detection of bacterial aggregates still occurred after a few hours of incubation but in a different way, probably related to changes of the biofilm robustness towards magnetic forces. The presence of extracellular DNA in the matrix of the biofilm is likely to play a role in the occurrence of this phenotype, as indicated by the assays performed in presence of the enzyme DNase I. At the same time, observations of biofilm formed by K. pneumoniae in kinetic experimental models showed massive detachment events during biofilm maturation, which could be correlated to changes in internal strength of the matrix. All these dtat contribute to a better characterization of the intimate interactions occuring within biofilms formed by K. pneumoniae and will ultimately lead to the development of efficient anti-biofilm strategies.

Listeria monocytogenes est un pathogène d'origine alimentaire à multiples facettes caractérisé par sa capacité d'adaptation dans des conditions défavorables et par sa prolifération dans une vaste gamme d'environnements, du sol aux cellules hôtes des mammifères. L'hétérogénéité génétique de L. monocytogenes se reflète dans sa structure clonale diversifiée, ce qui corrèle, dans une certaine mesure, avec des traits phénotypiques tels que la virulence ou la résistance au stress. La thèse portait sur deux phénotypes les plus éminents, la formation d'un biofilm et le potentiel de virulence, sous différents angles et à l'aide des technologies les plus récentes. Tout au long des études, des grands panels d'isolats ont été utilisés pour représenter la diversité intraspécifique. Stimulants défavorables tels que le choc froid et la privation d'éléments nutritifs induits par l'étape d'adhésion bactérienne. L'ajout de NaCl aux cultures de croissance a stimulé la production de biofilm et, de manière surprenante, il a considérablement intensifié la maturation du biofilm de cellules privées de nutriments. Un degré élevé de variation de la productivité relative du biofilm a été observé parmi les sérotypes, les génotypes, de même que les isolats selon les conditions de culture. Cependant, un certain génotype (complexe clonal 26) a révélé de manière caractéristique une production de biofilm plus élevée à froid (10°C), suggérant une association du génotype avec le phénotype du biofilm. Pan-GWAS a identifié un certain nombre de gènes parmi lesquels ceux impliqués dans des fonctions telles que la ‘transformation/compétence’, les ‘gènes liés aux phages’ et le ‘métabolisme du phosphate’ devront faire l'objet d'études plus approfondies sur leur rôle dans la formation du biofilm. L'analyse du séquençage de l'ARN a révélé une grande hétérogénéité intraspécifique dans les profils de transcriptome basal qui mettaient en évidence le rôle du réseau de régulation, y compris certains facteurs transcriptionnels avec des rôles clés dans la virulence tels que σB, PrfA, et CodY. La plasticité transcriptomique entre les lignées I et II ainsi que les génotypes hyper et hypovirulents ont confirmé les caractéristiques évolutives et épidémiologiques de L. monocytogenes. De plus, la voie métabolique centrale a été impliquée dans l'infection dans le système modèle de Galleria mellonella. En conclusion, la thèse a exploré la diversité intraspécifique de L. monocytogenes et a donné lieu à de nombreux résultats phénotypiques, génomiques et transcriptomiques. Grâce à l'approche intégrative des omiques en listeriologie, le présent travail contribuera à dévoiler la physiologie et la pathogenèse de la bactérie. / Conditions and proliferation in a wide range of environments from soil to mammalian host cells. The genetic heterogeneity in L. monocytogenes is reflected on its diversified clonal structure which correlates, to some extent, with phenotypic traits such as virulence or stress resistance. The thesis investigated two most prominent phenotypes, biofilm formation and virulence potential, from various perspectives using state-of-the art technologies. Throughout the studies, large panels of isolates were used to represent the intraspecific diversity. Unfavourable stimuli such as cold shock and nutrient deprivation induced bacterial adhesion step. Addition of NaCl to growth cultures stimulated biofilm production and, surprisingly, it significantly intensified biofilm maturation of nutrient-deprived cells. High degree of variation in relative biofilm productivity was observed among serotypes, genotypes, as well as isolates across culture conditions, however, certain genotype (clonal complex 26) revealed distinctively higher biofilm production under cold temperature (10°C) suggesting an association of genotype with biofilm phenotype. Pan-GWAS identified a number of genes among which those implicated in functions such as ‘transformation/competence’, ‘phage-related genes’, and ‘metabolism of phosphate’ will need further investigations for their roles in biofilm formation. RNA sequencing analysis revealed high intraspecific heterogeneity in basal transcriptome profiles that featured the role of regulatory network including certain transcriptional factors with key roles in virulence such as σB, PrfA, and CodY. The transcriptomic plasticity between lineage I and II as well as hyper- and hypovirulent genotypes supported the evolutionary and epidemiological characteristics of L. monocytogenes. Moreover, the central metabolic pathway was implicated in the infection in Galleria mellonella model system. Conclusively, the thesis explored intraspecific diversity in L. monocytogenes and resulted in ample phenotypic, genomic, and transcriptomic findings. With the integrative omics approach in listeriology, the present work will contribute to unveiling the physiology and pathogenesis of the bacterium.

In the first phase of this project three enhanced large diameter (> 60 cm) residential wells were constructed at a study site in Lindsay, Ontario. Two wells were constructed using concrete tile casing while the other well was constructed using galvanized steel casing. Javor (2010) evaluated various aspects of drinking water well construction and design to determine the susceptibility of residential large diameter drinking water wells to surface water and airborne contamination. One of the purposes of these new installations was to remove the uncertainty with respect to construction methods, age and maintenance that is characteristic of residential drinking water well performance studies. Javor (2010) conducted a field and laboratory study to assess the performance of several design changes that were thought to improve the integrity of large diameter drinking water wells. These experiments were also used to determine whether one design was more prone to atmospheric and/or surface water contamination than another. During the second phase of this project routine monitoring was continued and data pertinent to assess the performance of the test wells were collected using the same instrumentation. This routine monitoring involved the visual inspection of the wells, collection of well water elevation, collection of soil temperature profile data, collection and analysis of water samples, and collection of cumulative water volumes extracted from the test wells. In addition to the routine monitoring, a ground penetrating radar (GPR) survey was performed in October 2010 to complement the previous data collected during February 2010. Smoke tracer tests were performed under non-frozen and frozen conditions to re-assess the potential pathways of contaminants between the atmosphere and the interior of the test wells. Bacteriological indicators and high concentrations of two dissolved ions were detected in all test and monitoring wells. The smoke tracer tests demonstrated that pathways for airborne contaminants to enter the test wells exist with similar pathways observed in the winter and the summer. GPR surveys indicated that the bentonite slurry annular sealant was the most homogeneous media. A baseline characterization of the microbial nature of the biofilm performed in three of the test wells (CTH1, ETH1 and ETH3) indicated that the sessile bacteria are more metabolically diverse than suspended bacteria, and that this diversity is even higher in the concrete cased wells. Biofilm characterization performed on concrete, fibreglass and galvanized steel coupons incubated in two of the test wells (concrete and galvanized steel) showed that bacteria in the concrete cased wells barely colonized on fiberglass and galvanized steel, while bacteria in the galvanized steel cased well did not have difficulty colonizing on any of the casing materials. The results of the biofilm cleaning study indicated that the use of pressure washing combined with chlorination effectively removed biofilm grown on galvanized steel and fibreglass casing materials. This study investigated various factors that could affect the performance of large diameter drinking water wells. Since the test wells used in this study were under the direct influence of surface water a comparison between the various annular sealants was problematic. However, the three enhanced test wells outperformed the conventional test well. The observations from the smoke tracer tests performed under non-frozen and frozen conditions indicate that the Poly-Lok lid seam is the most prevalent pathway for airborne contaminants to enter a well. Fibreglass may be the preferred choice for large diameter well casing material since fibreglass is corrosion resistant, lightweight, easy to install, has a high strength to weight ratio, and a greater degree of biofilm was able to be removed from fibreglass casing material than from galvanized steel casing material.