Cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes qui gouvernent le bon fonctionnement et les performances des procédés de dépollution à biomasse fixée et d'en développer leur modélisation. Ces procédés pourraient voir leur efficacité intensifiée si les couplages entre les divers mécanismes locaux qui les gouvernent étaient mieux compris. L'interaction forte écoulement / biofilm dans ces procédés rend très difficile leur modélisation sans des progrès drastiques dans la compréhension de phénomènes intervenant à diverses échelles (biofilm, pore, bioréacteur). En conséquence, un des premiers verrous à lever est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes locaux responsables de l'adhésion, du détachement et de la croissance de micro-organismes sous écoulement. Dans ce but une chambre d'écoulement a été mise au point pour permettre l'observation microscopique et la caractérisation in-situ de ces phénomènes sous conditions hydrodynamiques contrôlées. Le système étudié est une bactérie de Pseudomonas putida et le polluant modèle est du phénol. En conditions non limitantes, nous montrons que les paramètres de la loi de Monod, pour les instants initiaux de croissance du biofilm et les conditions hydrodynamiques en régime très diffusif, sont dépendants du cisaillement imposé, ce qui n'est pas pris en compte dans la plupart des modèles. Des expériences mettant en œuvre l'observation de la croissance du biofilm sous écoulement (à bas Reynolds) ont ensuite permis de montrer la nature hétérogène de la structure du biofilm (structures filamenteuses, distribution de protubérances sur le support solide). Ces structures pourraient entre autre expliquer comment la croissance du biofilm influence le frottement. Pour étudier l'influence de la microstructure sur cette quantité, une technique de reconstruction 3D du biofilm a été développée et mise en œuvre en complément de la microscopie optique directe. La simulation de l'écoulement dans la microstructure ainsi reconstituée et l'ordre de grandeur des perméabilités calculées montrent bien l'importance de la distribution locale de la biomasse sur ce paramètre.

Cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes qui gouvernent le bon fonctionnement et les performances des procédés de dépollution à biomasse fixée et d'en développer leur modélisation. Ces procédés pourraient voir leur efficacité intensifiée si les couplages entre les divers mécanismes locaux qui les gouvernent étaient mieux compris. L'interaction forte écoulement / biofilm dans ces procédés rend très difficile leur modélisation sans des progrès drastiques dans la compréhension de phénomènes intervenant à diverses échelles (biofilm, pore, bioréacteur). En conséquence, un des premiers verrous à lever est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes locaux responsables de l'adhésion, du détachement et de la croissance de micro-organismes sous écoulement. Dans ce but une chambre d'écoulement a été mise au point pour permettre l'observation microscopique et la caractérisation in-situ de ces phénomènes sous conditions hydrodynamiques contrôlées. Le système étudié est une bactérie de Pseudomonas putida et le polluant modèle est du phénol. En conditions non limitantes, nous montrons que les paramètres de la loi de Monod, pour les instants initiaux de croissance du biofilm et les conditions hydrodynamiques en régime très diffusif, sont dépendants du cisaillement imposé, ce qui n'est pas pris en compte dans la plupart des modèles. Des expériences mettant en œuvre l'observation de la croissance du biofilm sous écoulement (à bas Reynolds) ont ensuite permis de montrer la nature hétérogène de la structure du biofilm (structures filamenteuses, distribution de protubérances sur le support solide). Ces structures pourraient entre autre expliquer comment la croissance du biofilm influence le frottement. Pour étudier l'influence de la microstructure sur cette quantité, une technique de reconstruction 3D du biofilm a été développée et mise en œuvre en complément de la microscopie optique directe. La simulation de l'écoulement dans la microstructure ainsi reconstituée et l'ordre de grandeur des perméabilités calculées montrent bien l'importance de la distribution locale de la biomasse sur ce paramètre. / The biofilms, mainly composed of micro-organisms and exopolymers, develop themself on nonsterile wet surfaces. They are of considerable importance in many industrial and environmental applications, among which biofilters used in water treatment. The strong interaction between the flow and the biofilm development in this type of processes returns very difficult their modelling without drastic progress in the comprehension of phenomena appearing on various scales (biofilm, pore, biofilter). This thesis aims to bring a better comprehension of the mechanisms which control the biofilm growth on a local scale. A flow chamber characterized by a laminar flow profile was developed to allow the in-situ observation and the analysis of cell adhesion, detachment and the growth of P. putida bacteria under sheared flow. The results also showed that the growth kinetics measured in batch was not applied, for low Reynolds number in the case of a biomass fixed to solid support and subjected to a shear stress. The study revealed also, as already shown before in certain research tasks, the biofilms organization in response to the sheared flow. The technique of 3d-reconstruction developed and implemented in complement to the direct optical microscopy allowed a better interpretation of global biofilm architecture and have explained how the microstructure can influence the biofilm friction toward fluid flow. We have simulated the distribution of the local velocity profiles in biofilm microstructure and our estimation of permeability has highlighed the importance of local distribution of biomass in this parameter.

La connaissance de la dynamique interne du noyau d’une cellule vivante semble essentielle pour la compréhension du fonctionnement des cellules eucaryotes. Ainsi, depuis plus d'une quinzaine d’année, de nombreuses études ont été menées pour sonder cette dynamique. Le projet de recherche de cette thèse s’est inscrit dans cette problématique. Nous avons monté une expérience originale de diffusion dynamique de la lumière pour sonder la dynamique interne du noyau d’une cellule. Le principe est simple, nous faisons passer un faisceau laser à travers le noyau d’une cellule et nous détectons les variations temporelles de l’intensité lumineuse diffusée. Les signaux obtenus sont complexes, non stationnaires, avec plusieurs échelles de temps. Une partie importante du travail de thèse a consisté à trouver une manière fiable de les analyser pour en extraire la dynamique interne du noyau ; nous arrivons à sonder cette dynamique sur quasiment 7 ordres de grandeurs (10-5 – 40 s). En utilisant ce montage et les techniques de traitement du signal qu’on a développé, nous avons étudié la dynamique interne du noyau de cellules issues de deux lignées humaines (SHEP et HeLa) au cours de leur cycle cellulaire. Nous observons des différences notables entre les phases G1, S et G2 et nous pouvons voir les gammes de temps affectées par le changement de phase du cycle cellulaire. Ensuite, nous avons étudié la dynamique du noyau de cellules (SHEP et HeLa), en phase G1, en présence d’une drogue cytobloquante dans le milieu de culture. Nous avons aussi étudié l’effet de la température. Pour des cellules en phase G1, nous avons baissé la température de 37°C à 25° C. Nous avons pu suivre l’évolution de la dynamique lors du refroidissement et à 25°C. Enfin, nous avons étudié la dynamique du noyau des cellules SHEP et HELA fixées. / The knowledge of the internal dynamics of a living cell nucleus appears essential for the comprehension of the activity of eukaryotic cells. Therefore, for the last fifteen years, many studies have been conducted to probe this dynamics. The research project of this thesis is a part of this issue. We set up an original experience of dynamic light scattering to probe the internal dynamics of a cell nucleus. The principle is simple, we pass a laser beam through the nucleus of a cell and we detect the temporal variations of the scattered light intensity. The signals obtained are complex, non-stationary, with different time scales. An important part of the thesis was to find a reliable way to analyze them to extract the internal dynamic of the nucleus; we can probe this dynamic on almost 7 orders of magnitude (10-5 – 40 s). By using this experience and the signal procession techniques that we developed, we studied the internal dynamics of the nucleus of two human cell lines (HELA and SHEP) in their cell cycle. We observe significant differences between the G1 phase, S and G2 and we can see the time ranges affected by phase change of the cell cycle. Next, we have studied nucleus dynamics of cells (SHEP and HELA), in the G phase, in the presence of cytobloquante drug in the culture environment. We also studied the effect of temperature. For cell in G1 phase, we lowered the temperature of 37°C to 25° C. We were able to follow the changing dynamics during the cooling and at 25°C. Finally, we have studied nucleus dynamics of fixed SHEP and HELA cells.