En milieu aquatique, 90% des microorganismes se présentent sous forme de biofilm plutôt que dans un état planctonique. Les biofilms peuvent se former sur la plupart des surfaces humides, en particulier, les milieux poreux en raison de leur grande surface spécifique. La formation du biofilm dans les milieux poreux représente un domaine précieux pour la recherche scientifique en raison de sa pertinence pour de nombreux processus industriels, telles que le traitement des eaux, la bio-médiation des sols, la récupération du pétrole et le stockage du CO2. Cependant, le développement du biofilm n’est pas simplement une agrégation passive de cellules, il implique des interactions biologiques, physiques et chimiques avec le microenvironnement. Les études macroscopiques ont démontré que les conditions hydrodynamiques dans les milieux poreux jouent un rôle décisif sur la dynamique d'accumulation des biofilms, ce qui influence à son tour les propriétés hydrodynamiques comme la porosité, la perméabilité et la chute de pression. Dans cette thèse nous avons mis au point une méthodologie et un dispositif expérimental permettant la caractérisation de la structure d’un biofilm.A partir de cette procédure, une étude expérimentale sur l’influence de l’écoulement sur la formation et la structure des biofilms a été effectuée sur une souche bactérienne Pseudomonas putida. Les biofilms sont développés dans des micros cellules d’écoulement de type Hèle-Shaw (en PDMS ou PMMA) et alimentés en continue avec un milieu nutritif. La caractérisation de la colonisation avant croissance du biofilm a été également réalisée afin de pouvoir caractériser la variabilité statistique et la reproductibilité des expériences. La formation du biofilm sur un support solide dans un écoulement cisaillé a été évaluée après 24h, 48h et 72h de développement pour deux conditions hydrodynamiques, Re=0.04 (0.0021 Pa) et Re=2 (0.094 Pa). Les observations ont été effectuées sous microscope confocal à l’aide de marqueurs fluorescents. Des images 2D sont prises en différentes positions puis sont utilisées pour effectuer une reconstruction 3D du biofilm avec l’évaluation la distribution spatiale sur une zone de 12*12mm². Nous avons ensuite mis en évidence que les biofilms formés sont peu sensibles aux conditions de colonisation initiales. Nous avons également observé une stratification du biofilm selon la hauteur. La couche interne présente une faible épaisseur (5~10 µm) mais avec une structure dense, tant dis que la couche externe présente plutôt une structure filamenteuse. Le rapport des fractions volumiques entre ces deux couches peut varier de 3 jusqu’à 12, selon le temps de formation. Cet écart est autant plus important pour le cas de faible cisaillement que celui de fort cisaillement. Ceci montre que la partie supérieure du biofilm semble être contrôlée par les conditions hydrodynamiques. En analysant la distribution spatiale du biofilm, nous avons constaté une forte hétérogénéité après 48h de développement présente dans la structure, ainsi qu’une diminution de la fraction volumique de la biomasse après 72h, pour les deux conditions hydrodynamiques imposées. Ceci évoque de probables détachements ou des érosions du biofilm. A propos de la cinétique de croissance, on constate un taux de croissance apparent différents pour chaque temps d’observation. Ces valeurs sont largement inférieures aux taux de croissance observé en culture libre. Ce résultat indique également un possible effet de l’hydrodynamique sur la croissance du biofilm. Cette étude nous permet, à partir des mesures à l’échelle microscopique, d’obtenir des informations sur la structure et le taux de croissance apparent du biofilm, ainsi que l’effet de l’hydrodynamique sur ses propriétés à l’échelle de quelques pores. Ce changement d’échelle, permettra à terme de développer des outils pour simuler et/ou modéliser l’évolution de la morphologie et la distribution spatiale d’un biofilm dans un milieu poreux. / In the aquatic environment, 90% of microorganisms are present as a biofilm rather than free-swimming cells. Biofilms may develop on most of humid surfaces, in particular, in porous media for their high specific surface area. Biofilm formation in porous media is very interesting subject for many scientific researchers, because of its relevance to many industrial processes such as water treatment, soil bio- mediation, oil recovery and CO2 storage. However, the development of the biofilm is not just a passive aggregation of bacteria cells. It involves biological, physical and chemical interactions with the bacteria’s micro-environment. Several studies in macroscopic scale have shown that hydrodynamic conditions in porous media play an essential role on the dynamics of biofilm growth, which in turn affects hydrodynamic properties of porous media such as porosity, permeability and pressure drop. In this thesis we have developed an experimental device and an appropriate methodology for the characterization of biofilm’s structure. An experimental study on the influence of fluid flow on the formation and structure of biofilms was performed using a bacterial strain Pseudomonas putida. Biofilms were grown in micro Hele-Shaw flow cell (in PDMS or PMMA) under laminar flows (Re=0.04~2) and fed continuously with a nutrient medium. Characterization of initial colonization was also carried out in order to examine the statistical variability and reproducibility of experiments. Biofilm formation on a solid support under a sheared flow (Re=0.04 (0.0021 Pa) and Re = 2 (0.094 Pa)) was evaluated after 24, 48 and 72h of development. Observations were made under a confocal laser scanning microscopes using fluorescent tag. 2D images were taken at different positions in the flow cell and used to perform a 3D reconstruction of biofilm’s structure and an evaluation of its spatial distribution for an observation area of 12 *12mm². The results show that biofilms formation is not sensitive to initial colonization. A stratification of biofilm was also observed. The inner layer has a thin thickness (5~10 µm), but with a dense structure, while the outer layer show rather a filamentous structure. The ratio of volume fractions between these two layers varies from 3 to 12, depending on the formation time. This difference is more important in the case of low shear stress than that of high shear stress, which means that the upper part of the biofilm seems to be controlled by the hydrodynamic conditions. By analyzing the spatial distribution of the biomass, we found that after 48h, the biofilm present a significant heterogeneity and the volume fraction of biomass decreases after 72h for both two hydrodynamic conditions, which suggests probable detachments or erosions of biofilm. Concerning the growth kinetics, different apparent growth rates were observed for each observation time. These values are significantly below the growth rates observed in free culture medium. This result also indicates a possible effect of hydrodynamics on the growth of biofilm. This experimental study of biofilm formation in micro-scale allowed us to obtain the information on the biofilm structural and its apparent growth rate, as well as the hydrodynamic effect on its properties across several pores of the porous media. This scaling up makes it’s possible to develop eventually mathematical models to simulate the evolution biofilm’s morphology and its spatial distribution in the porous medium.

Les biofilms, communautés multicellulaires bactériennes, sont omniprésents. Malgré leur importance pour l’écosystème, ils présentent une menace pour l'industrie autant que pour la santé humaine. La virulence des biofilms procède surtout de leur résistance élevée aux antibiotiques, qui rend leur éradication quasiment impossible. Ainsi, les biofilms sont impliqués dans la plupart des infections bactériennes chroniques, causant chaque année plus de 4000 décès en France. P. stuartii est une bactérie connue pour sa capacité à former des biofilms dans le tractus urinaire humain. Elle est responsable de 10% des INU chroniques et est décrite comme étant la plus résistante de son genre. Malgré ces faits, les études menées sur cette bactérie sont rares, freinant la compréhension du mécanisme de développement et de résistance de ses biofilms et compliquant ainsi l’avancement de nouvelles thérapies pour lutter, prévenir ou éradiquer ces infections. P. stuartii exprime au niveau de sa membrane externe deux porines, Omp-Pst1 et Omp-Pst2, qui constituent 70% du contenu protéique membranaire. Ces porines sont le conduit principal permettant à la bactérie de communiquer et d’échanger avec son milieu environnant. Ainsi, les porines sont vitales pour la bactérie.A ce jour, trois publications sont disponibles qui traitent de ces deux porines, mais aucune n’a exploré leur influence sur la formation des biofilms bactériens. Les travaux effectués au cours de ma thèse ont ainsi visé à réduire le manque de connaissance sur les biofilms de P. stuartii et à dévoiler le rôle des porines dans l’établissement et la résistance de ces biofilms. Pour cela, nous avons segmenté notre travail en quatre parties ayant pour objectifs (1) de comprendre la formation des biofilms de P. stuartii et leur réponse aux stress du milieu environnant ; (2) de décrire l’effet de la suppression ou la surexpression des porines ; (3) d’étudier à l’échelle moléculaire et atomique le comportement des porines isolées ; et (4) de développer des outils pour étudier les porines à l’échelle moléculaire au sein d’un biofilm de P. stuartii. / Biofilms, bacterial multicellular communities, are ubiquitous. Despite their importance to the ecosystem, they pose a threat to both industry and human health. The virulence of biofilms is mainly due to their high resistance to antibiotics, which makes their eradication virtually impossible. Thus, biofilms are involved in most chronic bacterial infections, causing each year more than 4,000 deaths in France. P. stuartii is a bacterium known for its ability to form biofilms in the human urinary tract. It is responsible for 10% of chronic nosocomial urinary infections and is described as the most resistant of its kind. Despite these facts, studies on this bacterium are rare, hampering the understanding of the mechanism of development and resistance of its biofilms and thus complicating the advancement of new therapies to fight, prevent or eradicate these infections. P. stuartii expresses at its outer membrane two porins, Omp-Pst1 and Omp-Pst2, which constitute 70% of the membrane protein content. These porins are the main conduit allowing the bacterium to communicate and exchange with its surrounding environment. Thus, porins are vital for the bacteria.To date, three publications are available that deal with these two porins, but none have explored their influence on the formation of bacterial biofilms. The work carried out during my thesis thus aimed to reduce the lack of knowledge about P. stuartii's biofilm and to unveil the role of porins in the establishment and resistance of these biofilms. For this, we have divided our work into four parts aiming at (1) understanding of P. stuartii's biofilms formation and their response to the stresses of the surrounding environment; (2) describing the effect of suppression or overexpression of porins; (3) studying the behavior of isolated porins on a molecular and atomic scale; and (4) developing tools for studying porins on a molecular scale within a biofilm of P. stuartii.

.Le transport de soluté en présence de biofilms en milieux poreux est un problème rencontré dans de nombreuses applications industrielles (biofiltration des eaux usées et traitement de polluants atmosphériques notamment). En termes de modélisation, l'interaction entre biologie, hydrodynamique et chimie reste difficile à comprendre aux échelles les plus fines: cela a conduit à une large utilisation de modèles macroscopiques, plus simple à manipuler. Cependant, la question consiste à écrire des modèles macroscopiques suffisamment complexes pour prendre en compte les processus pertinents représentant le couplage entre développement de la biomasse et fonctionnement du système, mais suffisamment simple pour une utilisation opérationnelle. Cette thèse s’est focalisée sur certains processus qui régissent le comportement macroscopique de tels systèmes. Nous avons étudié la modélisation de la réduction de la perméabilité induite par le développement du biofilm. Un modèle incorporant deux processus caractéristiques du colmatage (réduction de la taille pores et formation de « plugs ») a été développé. Ce modèle a été évalué pour une large gamme de données expérimentales. Une autre partie porte sur les processus d’adhésion initiale de la biomasse, processus important pour caractériser l’état initial du système. Sous l’hypothèse que les cellules bactériennes peuvent être traitées comme des colloïdes non rigides, une nouvelle corrélation a été développée pour estimer l’efficacité d’attachement des bactéries. Cette corrélation est basée sur l'analyse d'un large éventail de données expérimentales pour des conditions variées en termes d'électrolyte, débit et géométrie des milieux poreux, et introduit de nouveaux paramètres adimensionnels pour représenter les effets couplés des forces de Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO), des forces hydrodynamiques et prendre en compte la géométrie des milieux poreux. Ces processus ont été introduits dans un modèle 1D développé pour la simulation numérique du transport de soluté en présence de biofilm dans un milieu poreux. Une autre question importante dans ce modèle était de représenter correctement le processus détachement de biofilm. Un autre trait distinctif de notre modèle est une tentative de rendre compte du processus de «sloughing» dans la modélisation du détachement de biofilm. Le « sloughing » est un processus différent de l'érosion, phénomène continu, et qui correspond à une élimination discrète d'une grande fraction de biofilm.Dans cette étude, le phénomène de « sloughing » a été incorporé séparément etodélisé comme un processus stochastique. Des simulations numériques ont été effectuées en utilisant OpenFoam pour implémenter le modèle. Des simulations avec et sans le terme de « sloughing » ont été effectuées et discutées dans le cadre des données de la littérature disponibles. / Solute transport coupled with biofilm growth in porous media is encountered in many engineered applications, for instance biofiltration of wastewater and air pollutant treatment. In terms of modelling, the interaction between biology, hydrodynamic and chemistry are still difficult to understand at the fine scale: that led to a wide dissemination of macroscopic model, simpler to handle. However, one issue consists in providing a macroscopic model complex enough to take into account the relevant processes accounting for the coupling between the biomass development and system functioning, but simple enough for operational use. This thesis focused on few selected processes that influence the macroscopic behavior of such system. First, we investigated the permeability reduction modeling accounting for biofilm development. A model including two features that result in permeability reduction (pore radius reduction and pore plugging) was developed. This model was assessed in a wide range of experimental data. Another part of the thesis focused on the initial biomass attachment that is an important feature to characterize the system initial state. Following the concept that bacterial cell can be treated as soft colloids, a new correlation equation was developed to estimate the bacteria attachment efficiency. This correlation is based on the regression analysis of a wide range of experimental data of colloid deposition in various electrolyte conditions, flowrates and geometries of porous media. New dimensionless parameters have been introduced to represent the coupled effects of Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) forces, hydrodynamic forces and to account for geometry of porous media. These features were introduced in a 1D dimensional model that have been developed for the numerical simulation of solute transport coupled with biofilm growth. An important issue in this model was to properly represent biofilm detachment. Another distinctive feature of our model is an attempt to account for the “sloughing” process in modeling biofilm detachment. Sloughing is a different process than erosion which corresponds to a discrete removal of large fraction of biofilm. In this study, biofilm sloughing has been separately accounted in the numerical modeling porous media bioclogging. Biofilm sloughing was considered as a stochastic process and quantified by random generator. So this discrete events could be incorporated into other continuous processes to determine the biomass transfer from biofilm to the liquid phase. Numerical simulations have been performed using OpenFoam to implement the model. Simulation with and without the sloughing term were performed and discussed in the frame of available literature data

Le but de ce travail a été d’étudier l’influence d’un certain nombre de composés actifs de nature différente sur les microorganismes commensaux de la peau humaine et des microorganismes proches en s’intéressant tout particulièrement à la formation de biofilms mono-espèces et binaires par ces microorganismes, afin d’étudier les mécanismes d’action de ces composés, et de chercher à définir la structure de la matrice de ces biofilms (travail réalisé sur la souche acnéique cutanée Cutibacterium acnes RT5) ; 1 ; Pour la première fois, il a été montré que l’antibiotique azithromycine dans les concentrations subunhibitrices stimule la croissance des biofilms de la souche saprophyte de P. chlororaphis 446, et que le système de détection du quorum sensing AHL-dépendant participe à ce processus. La stimulation de la croissance des biofilms par l’azithromycine s’expliquerait par la synthèse de polysaccharides de matrice, conduisant à une résistance accrue au choc thermique des biofilms. 2. L’effet inhibiteur de l’agent authelminthique niclosamide sur la croissance des cultures planctoniques et des biofilms de S. aureus, M luteus C01 et K. schroeteri H01 a été découvert. 3. Il a été montré que l’UTX ™ et le PS291 ® utilisés en cosmétique suppriment significativement la croissance des biofilms S. aureus MFP03 et de C. acnes, sans effet toxique. L’UTW déplace la balance des bactéries viables vers S. epidermidis MFP04 dans un biofilm binaire de S. aureus MFP03 et de S epidermidis MFP04. Dans les biofilms binaires de S. aureus MFP03 et de C. acnes RT5, les deux composés équilibrent la balance en faveur de C. acnes RT5. 4. Un effet des NUPs (ANF et CNP a été montré pour la première fois sur S. aureus, S epidermidis et C. acnes. Une dépendance vis-à-vis des conditions de culture de l’effet des NUPs sur la croissance des biofilms de ces microorganismes a été démontrée. 5. Une technique pour isoler la matrice des biofilms des bactéries à Gram positif a été développée. Il a été démontré que les composants dominants de la matrice des biofilms de C. acnes RT5 sont les polysaccharides. 6. Pour la première fois, une étude approfondie du protéome total de la matrice de C. acnes RT5 a été réalisée. La présence de plus de 400 protéines dans la matrice, la présence d’un grand nombre d’hydrolases, spécifiques de divers substrats, et d’autres enzymes qui fournissent un potentiel catalytique élevé à la matrice des biofilms de C. acnes RT5 ont été découverts. 7. L’analyse SERS de la biomasse et de la matrice des biofilms de C. acnes RT5 a été réalisée pour la première fois, le profil spectral des cellules et de la matrice de C. acnes RT5 ont été compilés, ce qui permettra de l’utiliser pour créer une base de données de spectres SERS. / Résumé en anglais non fourni.

Dans les sols, les champignons ectomycorhiziens (ECM) forment une symbiose très répandue avec les racines des arbres et contribuent ainsi à leur croissance et à leur santé. Des études antérieures ont montré que certaines bactéries pouvaient influencer positivement la symbiose entre les ECM et les arbres, appelées BAM pour Bactéries Auxiliaires de la Mycorhization. Les mécanismes de l’effet auxiliaire des BAM sont encore peu connus. En amont de cette thèse, il avait été montré in vitro que la BAM Pseudomonas fluorescens BBc6 formait des structures similaires à des biofilms sur les hyphes de l'ECM Laccaria bicolor. Dans ce contexte, afin d'enrichir les connaissances concernant les interactions entre les ECM et les BAM, cette thèse a porté sur l'interaction physique entre ces deux organismes. L'étude a en partie été réalisée via une méthode d'analyse par microscopie confocale, développée durant cette thèse. Les résultats obtenus ont montré que cette bactérie formait des biofilms localisés préférentiellement sur la région apicale des colonies de l'ECM ce qui pourrait indiquer une interaction trophique. L'existence d'une telle interaction a d'ailleurs par la suite été confirmée. Les résultats ont également montré que l'interaction physique entre Laccaria bicolor et BBc6 n'est pas spécifique puisque l'ensemble des treize autres souches bactériennes testées a formé des biofilms sur les hyphes de Laccaria bicolor. En revanche, BBc6 s'est montrée incapable de former des biofilms sur certains champignons appartenant aux Ascomycètes, suggérant des mécanismes d'inhibition. De plus, l'étude de la matrice des biofilms formés par BBc6 a révélé la présence de réseaux de filaments constitués d'ADN qui semblent structurer ces biofilms et qui ont aussi été observés chez l'ensemble des souches bactériennes testées. Ces résultats révèlent un rôle structural de la molécule d'ADN qui, bien qu'il semble répandu, n'a que peu été reporté jusqu'à présent. Enfin, il a été montré que des mutants de BBc6 qui ont perdu leur effet auxiliaire forment des biofilms différents de la souche sauvage sur une surface abiotique suggérant un lien potentiel entre l'effet auxiliaire et la formation de biofilms / In soil ecosystems, ectomycorrhizal fungi (ECM) form a widespread symbiosis with roots of trees, contributing to tree growth and health. It has been shown that some bacteria, called mycorrhization helper bacteria (MHB), stimulate mycorrhizal symbiosis. The mechanisms of this helper effect are poorly understood. Previous studies have shown that the MHB Pseudomonas fluorescens BBc6 formed biofilm-like structures around the hyphae of the ECM Laccaria bicolor during their in vitro interaction. In this context, in order to increase knowledge concerning MHB/ECM interactions, the work presented here focuses on the physical interaction between these two organisms. To this purpose, a method of analysis based on confocal microscopy was developed. The results showed that the bacteria formed biofilms preferentially localized on the apical region of the ECM colonies, which could indicate a trophic interaction. Such an interaction has been subsequently confirmed. The results also showed that the physical interaction between L. bicolor and BBc6 is not specific since all thirteen other bacterial strains tested formed biofilms on the hyphae of L. bicolor. On the other hand, BBc6 was unable to form biofilms on some fungi belonging to Ascomycetes, suggesting the existence of inhibition mechanisms. Moreover, the study of the BBc6 biofilm matrix revealed networks of DNA-containing filaments which seem to structure these biofilms and which have also been observed in all the bacterial strains tested. These results reveal a structural role of the DNA molecule, a role that has been rarely reported so far despite its probable high occurrence. Finally, it has been shown that BBc6 mutants having lost their helper effect presented a modified phenotype concerning their biofilm formation on abiotic surface, suggesting a potential link between the helper effect and the biofilms formation

L'étude s'intéresse à la bactérie Legionella pneumophila (Lpn) dans les biofilms des affluents du lac du Bourget. Elle confirme le caractère ubiquiste de cette bactérie, principalement sous sa forme non cultivable. Elle met aussi en évidence, le caractère local des facteurs naturels de régulation : seule la température de l'eau intervient dans la majorité des sites. Ce déterminisme local a aussi été mis en évidence avec l'étude du réseau hydrographique aixois qui reçoit à la fois des eaux thermales et celles de la rivière Le Tillet. Les perturbations thermique et chimique liées aux arrivées d'eau chaude sont détectables jusqu'à la partie aval du réseau. L'effet d'enrichissement des apports en Lpn qui leur correspondent reste localisé ce qui peut être la manifestation de processus naturels d'autoépuration. Nos résultats montrent également un comportement différent des organismes du groupe des Pseudomonas et des bactéries apparentées vis-à-vis des caractéristiques physico-chimiques. Des expériences effectuées en réacteurs biologiques ont montré qu'une augmentation de la vitesse ou de la température de l'eau est favorable à la présence de Lpn. Un modèle de transport de charges a été construit à partir duquel une gestion de l'utilisation du jet d'eau situé à proximité de la plage municipale d'Aix-les-Bains pourrait être faite pour tenir compte des périodes durant lesquelles des fragments de biofilms susceptibles de contenir des Lpn sont transportés en masse par le réseau aixois en direction de la plage. / The study concerns the occurrence of the bacteria Legionella pneumophila (Lpn) in biofilms from Lake Bourget tributaries. It confirms the ubiquity of the bacteria in flowing waters, but mainly as viable but non culturable state. It highlights that main environmental control factors are local, at the exception of water temperature which is involved in most studied sites. Local control of biofilms development has also been demonstrated in the study of the Aix-les-Bains hydrological network which receives hot springs water and water from the Tillet river. Thermal and chemical disturbances induced by hot waters entrances could still be detected at the farthest downstream part of the network. Biofilms enrichment in Lpn related to theses incomings kept localized possibly due to self-purification processes. Our results depict different answers of microorganisms like Pseudomonas and related bacteria towards physicochemical characteristics. Two experiments were performed based on biological reactors, showing that increases of water temperature or water flow, both enhance Lpn concentration. An hydrological transport model has been designed to serve the management of a waterspout sited by the Aix-les-Bains beach. It is written especially to address periods where biofilms transport holding high Lpn concentrations should be avoided.

Cette recherche porte sur l’élimination des micropolluants pharmaceutiques des effluents hospitaliers par des procédés biologiques classiques (boue activée) et membranaire. Il est montré que les systèmes à membrane, externe ou immergée, permettent un meilleur traitement, ou une meilleure rétention, de plus de 50% des molécules pharmaceutiques mesurés. Afin d’améliorer l’efficacité des procédés membranaires, des supports bactériens ont été ajoutés dans le bassin biologique permettant de diminuer considérablement le colmatage. Il est montré qu’une des conséquences de la présence de ce garnissage est une diminution globale des EPS produits, donc du colmatage membranaire, et de la rétention des molécules pharmaceutiques,. Afin d’augmenter encore l’efficacité du procédé, du charbon actif en poudre ou en grain a été ajouté avant la filtration (CAP) ou en sortie de filtration (CAG), permettant une élimination quasi complète des molécules mesurées. La qualité des biomasses épuratrices a été suivie par microscopie confocale avec marquage fluorescent des exopolymères et de la viabilité cellulaire. Il est montré que les effluents hospitaliers modifient la structure des flocs et des biofilms, leur composition biochimique, avec une augmentation des concentrations en protéines extracellulaires, et la répartition des populations caractérisées par métagénomique. / This research investigates the removal of pharmaceutics present in hospital wastewaters by conventional activated sludge and MBR systems of treatment and under various operating conditions to elucidate the removal mechanism and increasing the efficiency of removal. In this study, laboratory scales was composed to four types of reactors used: Bach reactors, conventional activated sludge, submerged membrane bioreactor and extern membrane bioreactor and all these reactors were feed in reel hospital wastewaters. Different Technical studies and many experiments were affected to develop the MBR systems: the beginning was with biofilm supports media and the attached growth of biofilms in the reactor and the finish by using the powder activated carbon. En general, the reported results show high performance for the MBR with compared to CAS system in treating the basic organic pollutants. Presence the biofilm supports media was very important for high removal of pharmaceuticals compounds from the hospital wastewaters. The presence of the pharmaceutical compounds stimulated the mechanisms of survival higher production of EPS. Fouling potential seems to be linked more closely to polysaccharides than other EPS. In this study, for the first time, was employed the confocal microscopy for qualities and quantities analyses for the EPS in the biologic reactors. Microscopic observations were confirmed the chemical analyses of EPS compounds. In final experiment 21 pharmaceuticals were eliminated from the hospital effluents during the treatment in extern membrane (UF) with modified granular activated carbon. In addition to many biomolucles analyses which study the principals impact of hospital effluents on the microorganism’s especially the bacteria in using different, recent techniques. This study demonstrates by reel conditions the role the developed MBR systems in treating the hospital effluents and its impact direct on the environment.

Dans un contexte général de dégradation de nombreux écosystèmes aquatiques, les travaux de ma thèse se sont intéressés à la problématique des proliférations de cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques qui peuvent former des biofilms épais sur le fond de certaines rivières. Alors que les proliférations de cyanobactéries planctoniques ont fait l’objet de nombreuses études, notamment en raison de leurs effets néfastes sur les écosystèmes et des limitations de leurs usages qu’elles provoquent, seul un nombre très restreint de travaux s’est intéressé aux proliférations de cyanobactéries benthiques. Partant de ce constat, les données acquises au cours de cette thèse se sont inscrits à la fois dans une démarche fondamentale d’acquisition de connaissances sur la composition microbienne et l’écologie des biofilms périphytiques, avec un regard particulier sur les proliférations de cyanobactéries benthiques en rivières, et dans une démarche plus appliquée sur les stratégies et outils pour la surveillance des biofilms à cyanobactéries dans les rivières afin de répondre à une demande des Agences de l’Eau et des gestionnaires de milieux aquatiques. Ces travaux ont reposé sur des prélèvements de biofilms dans deux rivières françaises, le Tarn et la Loue, et dans neuf rivières néo-zélandaises. Les communautés microbiennes au sein des biofilms ont été caractérisées par des approches de séquençage à haut débit ciblant un fragment du gène de la petite sous-unité de l’ARN ribosomal 16S et 18S. Des données environnementales permettant de décrire le contexte dans lequel les biofilms se sont développés ont été également acquises. Les résultats principaux permettant une amélioration des connaissances sur les communautés microbiennes et l’écologie des biofilms de rivières se rapportent à la mise en évidence (i) de l’importance fondamentale de certains facteurs comme la température de l’eau sur les variations temporelles de l’ensemble des communautés périphytiques et de la nécessité de prendre en compte les contextes hydrologique et géologique des stations de prélèvements pour comprendre ces variations, (ii) par l’analyse des corrélations entre les OTU dominantes des communautés phototrophes et hétérotrophes, d’interactions positives entre certaines de ces OTU, par exemple dans le cadre du recyclage de la matière organique ou d’interactions négatives, par exemple dans le cas des compétitions pour l’accès à la lumière entre bactéries et micro-algues phototrophes et (iii) d’une structuration géographique des communautés bactériennes associées aux biofilms à cyanobactéries qui semble plus s’expliquer par le contexte environnemental local des biofilms que par leur éloignement par la distance. Concernant les données acquises lors de cette thèse pour améliorer la surveillance et la gestion des risques liés aux proliférations de cyanobactéries benthiques, nos travaux ont permis de montrer les limites d’un nouvel outil (sonde spectrofluorimétrique) pour la détection et la quantification des cyanobactéries benthiques et de proposer des stratégies d’échantillonnage pour évaluer l’importance des biofilms à cyanobactéries en rivières. Finalement, nos résultats suggèrent que la prévention des risques liés aux cyanobactéries benthiques potentiellement toxiques devrait essentiellement reposer sur l’information des usagers. / In a general context of aquatic ecosystems degradation, my thesis focuses on the issue of potentially toxic benthic cyanobacterial proliferations that can form thick biofilms fixed on the riverbed of certain rivers. While planktonic cyanobacterial blooms have been the subject of numerous studies, mainly due to their detrimental effects on the ecosystems, only a limited number of works have focused on benthic cyanobacteria. Therefore, the thesis involves a fundamental approach for knowledge acquisition on biofilms biodiversity and ecology, with an interest on benthic cyanobacterial proliferations, and an applied approach concerning strategies and tools for their monitoring on rivers in order to meet a request from water agencies and aquatic environmental managers.The main results of the thesis highlight (i) the importance of the hydrogeological context of sampling stations and water temperature on the temporal variations of periphytic communities, (ii) by OTU correlation analysis, positive interactions on the framework of organic matter recycling, and negative interactions in the case of light access competition, and (iii) a geographical structure of cyanobacterial-associated bacterial communities that seems to be mostly explained by local environmental context rather than distance. Concerning surveillance, we showed the limitations of a new spectrofluorometric tool for the quantification of benthic cyanobacteria and we propose sampling strategies to evaluate the importance of cyanobacterial biofilms in rivers.

Dans le but de caractériser les conditions environnementales, hydrologiques et d’usage des sols, menant à la contamination d’un système karstique cette étude combine hydrogéologie et microbiologie environnementale. Les chroniques de température et d’hydrologie (pluviométrie, turbidité, conductivité) de l’hydrosystème karstique de Norville (SO Karst) des 5 dernières années ont été analysées pour trouver une corrélation entre les conditions hydrologiques menant au ruissellement sur le bassin versant et la contamination par E. coli de l’hydrosystème (eau et biofilms). Quinze campagnes de prélèvement d’eau à l’entrée (la perte) et la sortie (la source) du système et de biofilms ont été réalisées. La relation entre l’abondance et la diversité génétique (distribution des phylogroupes) des populations de E. coli circulant dans l’hydrosystème et les conditions hydrologiques et d’usage des sols a été étudiée. Un indicateur de contamination des eaux par E. coli (IndiCE) basé sur l’enregistrement de la température et la pluviométrie et corrélé avec la contamination d’eau de surface et sous terraine par E. coli d’un hydrosystème karstique, simple d’utilisation est proposé. Le rôle de réservoir de pathogène des biofilms karstiques, responsable de contamination secondaire, a été étudié en suivant l’occurrence de E. coli et des intégrons de classe 1 dans des biofilms formés à la source de l’hydrosystème karstique de Norville.Il a été montré en chemostat la capacité de E. coli à former des biofilms sur la craie en condition oligotrophique. In situ E. coli et les integrons de classe 1 peuvent s’associer à des biofilms autochtones sous forme cultivable transitoirement. L’ensemble de ces travaux de thèse a permis de mieux comprendre la dynamique de la contamination par E. coli des hydrosystèmes karstiques, dans l’eau et les biofilms. / In order to assess environmental conditions leading to contamination of a rural karstic hydrosystem this study combine hydrogeology, and environmental microbiology. We focused on a well-characterized chalk karstic hydrosystem (Norville, France) vulnerable to microbiological pollution, of the French national observatory network on karst (INSU/CNRS). Temperature and hydrological time series (pluviometry, turbidity and electrical conductivity) over the past 5 years were analysed in order to correlate hydrological condition leading to run-off on the watershed and E. coli contamination of the hydrosystem. Fifteen sampling campaigns of water and biofilms were carried out in different hydrological conditions, on the surficial watershed (i.e. the upstream part of the system) and at the spring downstream. That has been used to determine periods more subject to soil bacteria leaching and input in the hydrosystem. Finally, relationships between abundance and genetic diversity (phylogroup distribution) of E. coli population in the hydrosystem waters, hydrological conditions and land use were investigated. An hydrological indicator (IndiCE) based on the analysis of pluviometry, conductivity, turbidity and temperature time series has been constructed to assess the vulnerability of such karstic hydrosystem to E. coli contamination according to hydrological conditions. The role of karstic biofilm as pathogens reservoir and class 1 integrons, responsible of secondary contamination, has been studied recording E.coli occurrence in karstic biofilms sampled at Norville’s spring. It has been showed in reactor E. coli capacity to form biofilms on chalk in oligotrophic conditions. In situ cultivable E. coli and class 1 integrons can integrate autochthonous biofilms transiently. E. coli population structure in biofilms is significantly the same than in spring water. This thesis work allowed to a better understanding of E. coli contamination dynamic in water and biofilm of karstic hydrosystem.

P. aeruginosa fait partie des bactéries classées comme multirésistantes. Ce bacille est un agent pathogène opportuniste susceptible d’être présent dans les réseaux d’eau. Les contaminations sont souvent localisées au niveau des points d’usage et sont à l’origine de risques sanitaires et économiques pour les établissements de santé et les industries. Bien que différents procédés de traitements soient couramment appliqués certaines contaminations persistent sous la forme de biofilm et altèrent la qualité de l’EDCH, tout en devenant un potentiel réservoir de dissémination. L’absence de traitements efficaces et l’impact négatif des biocides sur l’environnement sont en faveur du développement de nouvelles alternatives. Les bactériophages sont exclusivement des virus de bactéries. Ces prédateurs naturels sont omniprésents dans l'environnement, ce qui nous permet de disposer d'une grande diversité et ont l’avantage des’auto-répliquer en présence de leur hôte. Dans ce contexte, cette étude évalue le potentiel de ces virus en tant qu'agents de biocontrôle pour éliminer les biofilms de P. aeruginosa. Neuf souches de P. aeruginosa, incluant la souche référence PAO1 et des souches environnementales, ont été utilisées pour étudier l'activité de neuf phages appartenant à la famille des Caudovirales. Un screening a été réalisé permettant par la méthode des spots test de sélectionner les phages les plus efficaces et les souches sensibles. Les bactéries ont ensuite été cultivées dans un milieu mineral minimum et l'efficacité des phages a été étudiée sur une culture exponentielle. Le suivi de la densité optique a permis de mettre évidence trois profils d’activités différents. Sur la base de ces résultats, deux phages et deux souches ont été conservés pour réaliser des tests sur des biofilms de 24 h implantés à la surface de coupons en INOX, représentatif des surfaces industrielles ou thermales. L’efficacité du traitement par les phages durant 14 h a été évaluée par qPCR viable. Une réduction maximale de 1,7 équivalent Log UFC.cm2 /coupon a été obtenu selon le couple étudié. Les résultats mettent également en avant une répartition des phages en faveur des cellules planctoniques, contrôlant ainsi efficacement la dissémination du biofilm dans l’environnement. Cette étude met en évidence une action des phages qui est dépendante de la souche de P. aeruginosa ainsi que de l'état physiologiques des cellules (planctoniques ou sessiles) ce qui rend difficile l’élimination d’un biofilm, même jeune. Dans le but d’améliorer l’infection de ces structures il pourrait être envisagé d'associer l'activité de plusieurs phages dans un cocktail ou de les combiner à d'autres molécules d’intérêts. / P. aeruginosa is one of the bacteria classified as multiresistant. This bacillus is an opportunistic pathogen that may be present in water networks. Contaminations are often located at the point of use and are at the origin of health and economic issues for health facilities and industries. Although different treatment processes are commonly applied, certain contaminations persist in the form of biofilm, alter the quality of EDCH and represent a reservoir of dissemination. The lack of effective treatments and the negative impact of biocides on the environment favor the development of new alternatives. Bacteriophages are exclusively bacterial viruses. These natural predators are ubiquitous in the environment, which allows us to have a great diversity, and have the advantage of self replicationin the presence of their host. In this context, this work explores the potential of these viruses as biocontrol agents to eliminate P. aeruginosa biofilms in addition to existing solutions. Nine strains of P. aeruginosa, including PAO1 reference strain and environmental strains were used to study the activity of nine phages belonging to the family Caudovirales. A screening was carried out allowing by the spottest method to select the most effective phages and sensitives trains. A screening was carried out allowing by the spot test method to select the most effective phages and sensitive strains. Bacteria were then cultivated in a mineral minimum medium and the efficiency of the phages was studied on an exponential culture phase. Monitoring of optical density has enabled to highlight three different activity profiles. On the basis of these results, two phages and two strains were kept for testing on 24-hour biofilms implanted on the surface of stainless steel coupons, representative of industrial or thermal surfaces. The efficacy of phage treatment for 14 h was evaluated by viable qPCR. A maximum reduction of 1.7 log equivalent UFC.cm2 / coupon was obtained according to the couple studied. The results also highlight a phage distribution in favor of planktonic cells, effectively controlling the release of biofilm into the environment. This study demonstrates a phage action that is dependent on the P. aeruginosa strain as well as the physiological state of the cells (planktonic or sessile). The complexity of the biofilms’ structure makes it difficult to eliminate them, even when young. In order to improve the infection of these structures it could be considered to associate the activity of several phages in a cocktail or to combine them with other molecules of interest.