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

Malgré l'enthousiasme croissant pour les nanotechnologies, les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les systèmes biologiques et affecter leur comportement, et pourraient ainsi présenter un danger pour les écosystèmes et l’Homme. Il est donc essentiel de connaître leurs mécanismes d'interactions afin non seulement de prévenir leurs risques potentiels, mais également de bénéficier de leurs propriétés uniques, par exemple dans la conception des biocapteurs. Dans ce contexte, nous étudions la cytotoxicité des NPs de silice, de tailles et charges diverses, sur les propriétés des bactéries Escherichia coli et Bacillus subtilis, au moyen de la microscopie à force atomique et des tests de viabilité. Les NPs chargées négativement (NPs-) de diamètre inférieur à un diamètre critique φc, 50 - 80 nm, (i) mènent à l'isolation des bactéries E. coli, (ii) induisent une "sphérification" de la cellule initialement en bâtonnet, (iii) provoquent des lésions dans la membrane externe et une réorganisation de sa structure. Pour la bactérie B. subtilis, seule la dégradation de la structure du peptidoglycane a été observée. Cependant, pour les deux souches, une activité antibactérienne a été démontrée pour les NPs- en dessous de φc, qui peuvent conduire à la lyse cellulaire tandis que, au-dessus de φc, les NPs- n’ont aucun effet sur la population, la morphologie ou la structure bactérienne. En ce qui concerne les NPs chargées positivement, elles conduisent, quel que soit leur diamètre, à une forte agrégation des cellules, en raison des interactions électrostatiques, et tendent à favoriser la formation d'invaginations membranaires, ne menant pas nécessairement à la lyse cellulaire. Cette étude fondamentale a mené au développement d’un biocapteur électrochimique pour la détection de bactéries, application notable pour des problèmes biomédicaux, environnementaux et de défense. Les NPs, intégrées à ces outils, offrent un mode de détection rapide, très sensible et peu coûteux. Expérimentalement, une multicouche de polyélectrolytes a été utilisée pour immobiliser des NPs inoffensives (φ = 100 nm), auxquelles sont ensuite fixés des anticorps spécifiques, afin d'améliorer la détection finale de la bactérie E. coli. L’ensemble des étapes a été optimisé par le procédé du spin coating et étudié à l'aide de mesures de microbalance à quartz et de voltametrie cyclique. L’intégration de NPs au biocapteur a permis une détection linéaire et non saturée des bactéries E. coli dans une large gamme de concentration (jusqu’à 10^9 CFU/mL) pour une limite de détection de 10^6 CFU/mL. / Despite the growing enthusiasm for nanotechnologies, nanoparticles (NPs) might put environmental safety and human health at risk, as they can interact with biological systems and affect their behavior. It is therefore essential to know their mechanisms of interactions in order not only to prevent their potential risks but also to benefit from their unique properties, such as in biosensors design. In this context, we study the cytotoxicity of silica NPs, with diverse sizes and charges, on the properties of Escherichia coli and Bacillus subtilis bacteria, by means of atomic force microscopy and viability tests. Negatively charged NPs (NPs-) with a diameter φ lower than a critical diameter φc, 50 - 80 nm, (i) lead to the isolation of E. coli bacteria, (ii) induce a "spherification" of the cell initially rod shaped, and (iii) cause the formation of pore-like lesions in the outer membrane and a reorganization of its structure. For B. subtilis bacteria, only the degradation of the peptidoglycane’s structure was observed. Though, for both strains, an antibacterial activity was shown for NPs- below φc, which potentially lead to the cell lysis whereas, above φc, NPs- have no effect on population, morphology or bacterial structure. As positively charged NPs are concerned, whatever their diameter, they lead to a strong aggregation of the cells, due to electrostatic interactions, and tend to favor the formation of membrane invaginations, not necessarily involving cell lysis. This fundamental study has been used to develop an electrochemical biosensor for bacteria, which are of great importance for biomedical, environmental and defense issues. NPs involved in such tools offer a fast, high-sensitive and low-cost way of detection. A polyelectrolyte multilayer was used to immobilize harmless NPs (φ = 100 nm), which are, then, functionalized with specific antibodies, in order to enhance the final detection of E. coli bacteria. All steps were optimized by a spin coating process and studied through quartz microbalance and cyclic voltametry measurements. Integrating NPs in this biosensor resulted in a linear and unsaturated detection of E. coli bacteria in a wide range of concentration (until 10^9 CFU/mL) and a limit of detection of 10^6 CFU/mL.

Des études ont démontré que du chlore organique est retenu dans les sols et serait formé par un processus de chloruration issu de l’activité microbienne des sols. Le but de cette étude est d’estimer les formes organiques de chlore dans des sols contrastés et de mettre en évidence l’évolution de ces formes de chlore selon certains paramètres environnementaux ou modalités d’incubations en fonction de l’activité des microorganismes. Les horizons organo-minéraux de sols contrastés ont été étudiés (i) in situ : Les quantités de chlore et les paramètres physico-chimiques et microbiologiques de sols ont été mesuré ; (ii) dans deux dispositifs d’incubations sous différentes modalités. Les mesures des teneurs en chlore entre le début et la fin de la première expérience ont été mesurées par analyseur d’AOX. Pour la deuxième expérience, les sols ont été enrichis en Na37Cl et les teneurs en 37Cl ont été mesurées par ICP MS HR. Des mesures par spectrométrie Xanes ont été réalisées pour préciser la spéciation du chlore des sols. Les teneurs en chlore organique non extractibles représentent presque la totalité du chlore. Les paramètres qui influencent la répartition des teneurs en chlore correspondent au couvert végétal, au pH, à la teneur en carbone organique et aux quantités de microorganismes. Les teneurs en chlore mesurées par analyseur d’AOX et par ICP MS HR ont permis de mettre en évidence une formation de chlore organique en relation avec les paramètres microbiologiques. Les mesures par ICP MS HR ont montré une formation de chlore organique en conditions abiotiques. Les analyses par spectrométrie XANES n’ont pas permis de mettre en évidence une formation de chlore organique / Recent studies have shown that organic chlorine is retained in the soil and is formed by a chlorination process mainly from the microbial activity of the soi still poorly documented. The aim of this study is to estimate the organic and inorganic forms of chlorine in contrasting soil and highlight the evolution of these forms according to certain environmental parameters or terms of incubations and to the activity of microorganisms. For this, the organo-mineral horizons of contrasting soil were studied (i) in situ: The amounts of chlorine and physico-chemical and microbiological parameters of soil were measured; (ii) in two experimental devices incubations under different conditions. Measurements of chlorine levels between the beginning and the end of the first experiment were measured by AOX analyzer. For the second experiment, the soil was previously enriched with Na37Cl and 37Cl levels were measured by HR ICP MS. Soil samples from these incubations were analyzed by Xanes spectrometry to identify the speciation of chlorine forms in soils. Soil non-extractable organic chlorine contents represent almost all of the chlorine. The parameters that influence the distribution of chlorine contents in soils correspond to vegetation cover, pH, organic carbon content and quantities of microorganisms. The chlorine contents measured by AOX analyzer and by HR ICP MS highlight an organic chlorine formation over time in relation to the microorganims in the soil. The measures carried out by HR ICP MS show also an organic chlorine formation in abiotic conditions. Conversely, XANES spectrometry measurements have show any organic chlorine formation

Les infections nosocomiales à bactéries multi-résistantes sont en constante augmentation en réanimation. Elles ont des conséquences individuelles et collectives majeures. La mortalité en réanimation et les prolongations des durées de séjour sont les deux principales conséquences individuelles connues à ce jour. Plusieurs facteurs confondants rendent l'interprétation des études difficiles, dont l'état sous jacent du patient, la virulence de la bactérie et l'adéquation thérapeutique. Mesurer la part de chacun de ces facteurs et préciser leur responsabilité respective est indispensable pour mobiliser les différents acteurs et améliorer le pronostic des patients en réanimation. Dans cette thèse nous avons souhaité approcher la réponse quant aux conséquences individuelles. A partir d'une base de données incluant des patients de réanimation, nous avons utilisé les méthodes statistiques les plus récentes et avons tenté de prendre en compte les différents facteurs confondants , pour répondre à trois questions précises que sont : la mortalité liée à une espèce bactérienne donnée, les facteurs associés à la mortalité des patients présentant un sepsis sévère ou choc septique en réanimation et les conséquences liées à l'isolement des patients infectés ou colonisés avec une bactérie multi-résistante. Nous montrons que (1) par l'intermédiaire d'une prolongation de la durée de séjour en réanimation, l'infection à Clostridium difficile augmente la pression de colonisation, sans pour autant avoir d'impact direct sur le décès. (2) que le pronostic des sepsis sévères et des chocs septiques dépend de l'adéquation de l'antibiothérapie et que les bactéries résistantes sont plus souvent traitées de manière inadéquate. (3) que l'isolement contact est associé non seulement à une augmentation attendue du risque de pneumonie nosocomiale a germe multi-résistants mais aussi à une augmentation du risque d'erreurs thérapeutiques et d'événements indésirables non infectieux. Cet impact délétère suggéré par des études en dehors de la réanimation doit être pris en compte lors de la mise en place des précautions contact en réanimation. / Nosocomial infections with multidrug-resistant bacteria are increasing in ICU. They have major individual and collective consequences. Mortality in the ICU and prolongation of length of stay are the two main individual consequences known to date. Several confounding factors make it difficult to interpret studies, including the patient's underlying condition, the virulence of bacteria and the adequacy of therapy. It is essential to measure the share of each of these factors and to clarify their respective responsibilities to mobilize the different actors and improve the prognosis of patients in intensive care. In this thesis, and drawing upon a database including ICU patients, we used the latest statistical methods and tried to take into account the various confounding factors to evaluate the individual consequences of multidrug-resistant bacteria in ICU. We sought to address three specific questions: mortality linked to specific bacterial species, factors associated with mortality in patients with severe sepsis or septic shock in intensive care unit, and the consequences of the isolation of patients infected or colonized with multidrug-resistant bacteria. We demonstrated that (1) because they are associated with a longer stay in intensive care unit, Clostridium difficile infections increase the pressure of colonization although they have no direct consequence on mortality; (2) the prognosis of sever sepsis or septic shock depends on the adequacy of the antibiotic therapy and that resistant bacteria are often inadequately treated; and (3) that isolation is not only associated with an expected increase in the risk of nosocomial pneumonia with multi-drug resistant pathogens strains but also with an increase in non-infectious adverse events.

The range of applications for magnetic micro- and nano-particles is constantlyexpanding, in particular in medicine and biology. A number of applications involve particletrapping and deviation under the effect of a magnetic field and field gradient. In mostpublications, the required magnetic fields are produced either using soft magnetic elementspolarized by an external magnetic field, electromagnets or bulk permanent magnets.Micromagnets produce high fields and favor autonomy and stability while downscalingleads to an increase of field gradients. The challenge is to produce good quality, hardmagnetic films in the range of 1 to 100 μm both in thickness and lateral dimensions and tointegrate them into a Bio-Mag-MEMS.Physical vapor deposition (triode sputtering) is used to prepare high quality rare earthmagnets in thick film form. In order to obtain field gradients in the lateral directions, threetechniques have been developed:• Topographic patterning, in which the film itself is patterned either by sputtering ontopre-etched substrates or by etching the magnetic film.• Thermo-magnetic patterning, which exploits the temperature dependance of coercivityto locally reorient the magnetization.• Micro magnetic imprinting, which consists of organizing magnetic powder with the aidof the above-cited magnets, then embedding the powder into a polymeric matrix.Such micro-magnets are autonomous, having no requirements for a cumbersome externalfield source nor power supply.Here we demonstrate the potential to develop autonomous devices based on micromagnetarrays. Controlled positioning using superparamagnetic particles as a model is shown at first.Then, the magnet arrays are used to study endocytic processes using magnetically labelledbiological elements.In a step towards device integration, microfluidic channels are produced above themagnet arrays. Magnetic and non-magnetic particles are pumped through the devices andprecise positioning, as well as guiding and sorting are performed. High purity is obtained inthe sorted solutions.The good results obtained in the development of micromagnetic flux sources, integrationinto microdevices and particle/cell handling and sorting indicate the high potential of thiswork for actual biological and medical applications. Moreover, the biocompatibility andautonomy of such devices allow their use in micro-total-analysis systems, point-of-care orimplantable devices. / Les micro et nano billes magnétiques sont de plus en plus utilisées en Biologie et enMédecine, pour une large gamme d’applications. Plusieurs applications utilisent le piégeageet le guidage de ces billes sous l’effet d’un champ et d’un gradient de champ magnétique.Dans la plupart des applications le champ magnétique est macroscopique, créé par un aimantou un électro-aimant. L’intégration plus poussée est souvent envisagée, dans les articlesscientifiques, par des microbobines ou par des éléments magnétiques doux. Ceux-ci doiventalors être polarisés par un champ externe (de nouveau, un électroaimant ou un aimant).Les micro-aimants mis au point à l’Institut Néel permettent d’obtenir les mêmesinductions que les meilleurs aimants du marché et, par conséquent, de par la réductiond’échelle, des gradients de champ intenses. Ils sont, de plus, favorables à l’autonomie et àla stabilité du système. Le défi est de produire de bonnes couches magnétiques avec desdimensions de l’ordre de 1 à 100 μm et de les intégrer à des Bio-Mag-MEMS.Le dépôt physique par phase vapeur (pulvérisation cathodique triode) est utilisé pourle dépôt de ces aimants de haute qualité, en couche épaisse, et à base de terres-rares. Dansle but d’optimiser les gradients latéraux des champs magnétiques, trois techniques ont étédéveloppées:• Le topographic patterning, dans lequel une couche est structurée géométriquement,soit par dépôt sur un substrat pré-gravé, soit par gravure humide après le dépôt.• Le thermo-magnetic patterning, qui exploite la dépendance thermique de la coercivitépour réorienter localement l’aimantation de la couche.• Le micro magnetic imprinting, qui consiste à organiser des particules magnétiquesà l’aide des aimants mentionnés ci-dessus et, ensuite, de les noyer dans une couchepolymérique.Les micro-aimants présentent l’avantage, majeur pour un microsystème, d’êtreautonomes. Ils ne nécessitent pas de source externe de champ magnétique, ni d’alimentationélectrique. Lors de ces travaux, nous développons des prototypes de microsystèmes fluidiquesautonomes basés sur des réseaux de micro-aimants. En premier lieu, la capture parattraction et le positionnement controllé, en utilisant des particules superparamagnétiquescomme modèle. Puis, l’étude de phénomènes d’endocytose à l’aide d’éléments biologiquesmarqués magnétiquement. Dans le but de passer à l’intégration des systèmes, des canauxmicrofluidiques sont développes sur les réseaux magnétiques. Des particules magnétiques etnon-magnétiques sont introduites dans les canaux et leur positionnement, guidage et tri sontréalisés. L’analyse des solutions triées indique une haute efficacité du système.Les résultats obtenus lors du développement de ces micro-sources de champ magnétiqueset de leur intégration dans des microsystèmes, ainsi que la manipulation et tri de particules,démontrent le grand potentiel de ces recherches pour des applications grand public à dessystèmes biologiques et médicaux. De plus, la biocompatibilité et l’autonomie de ces systèmespermettent leur utilisation dans des microsystèmes d’analyse totale (μTAS), des systèmespoint-of-care (POC) et des implants biomédicaux, potentiellement jetables et bas coût.

Une grande quantité des eaux usées, particulièrement celles provenant de l'industrie minière, des fermentations et du traitement des aliments, contiennent-elles des concentrations élevées de sulfate (SO42-). SO42- réduction est une problématique sérieuse au niveau environnemental sous conditions qui ne sont pas contrôlées, cette problématique peut résulter en la libération de sulfure toxique vers l'environnement. Les caractéristiques typiques des eaux usées riches en SO42- sont 0.4-20.8 g SO42-.L-1, faible pH, élevé potentiel oxydatif, faible o négligeable demande chimique d'oxygène (DCO) et hautes concentrations de métaux lourds (drainage minier acide) que peuvent drastiquement endommager la flore et la faune des masses d'eau. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'effet du donneur d'électrons sur le processus biologique RS par des bactéries réductrices de sulfate dans des bioréacteurs. Le processus biologique RS a été étudié à l'aide de polymères à base d'hydrate de carbone (PBHC) et biodéchets lignocellulosiques (L) comme des donneurs de libération lente d'électrons (PBCH-DLLE et L-DLLE, respectivement) dans des bioréacteurs discontinus et des bioréacteurs fonctionnant en continu inverse à lit fluidisé (ILF). Les ILF ont été rigoureusement testé pour RS sous haute vitesse et (alimentation-pénurie de nourriture) des conditions d'alimentation transitoires. Dans une autre configuration du bioréacteur, un bioréacteur séquentiel, l'effet de la concentration initiale SO42- sur le démarrage du réacteur a été étudié. Par ailleurs, l'effet de la concentration initiale du donneur d'électrons, NH4+ et SO42- ont été évalués dans des bioréacteurs de traitement par lots aussi bien. La robustesse et la résilience de RS a été démontrée dans les ILF en utilisant le lactate comme donneur d'électrons, dans lequel l'efficacité d'élimination de SO42- (EES) était comparable dans la période d’alimentation (67 ± 15%) de ILF2 aux conditions d'alimentation stables (71 ± 4%) dans même ILF2 et ILF1, le réacteur de commande (61 ± 15%). De la modélisation des réseaux de neurones artificiels et de l'analyse de sensibilité des données de fonctionnement de ILF2, il était prévu que les concentrations de SO42- influents ont affecté le rendement d'élimination de la DCO, la production de sulfure et des changements de pH. Dans un autre ILF3 à un rapport DCO:SO42- de 2.3, RS dans des conditions de taux élevés (CTE = 0.125 d) était 4,866 mg SO42- L-1 d-1 et un EES de 79% a été remporté. Par ailleurs, le second ordre Grau et les modèles d'enlèvement de substrat Stover-Kincannon équipés de la performance du réacteur à haut débit avec r2 > 0.96. Le rapport DCO:SO42- était le principal facteur affectant la RS. Dans des bioréacteurs par lots, en utilisant du papier filtre PBCH-DLLE, la RS a été réalisée à EES > 98%. Avec l'utilisation de scourer comme L-DLLE, un EES de 95% a été remporté. Cependant, lorsque la lavette est utilisée comme matériau de support de L-DLLE dans un ILF4, le RS a montré 38% (± 14) de EES entre 10-33 d de fonctionnement. La SR était limitée par le taux d'hydrolyse-fermentation et, par conséquent, la complexité de la DLLE. L'utilisation du donneur d'électrons pour le processus RS a simultanément amélioré aux concentrations de donneurs d'électrons initial décroissants / Many industrial wastewaters, particularly from the mining, fermentation and food processing industry contain high sulphate (SO42-) concentrations. SO42- reduction (SR) is a serious environmental problem under non-controlled conditions, which can result in the release of toxic sulphide to the environment. Typical characteristics of SO42--rich wastewater are 0.4-20.8 g SO42-.L-1, low pH, high oxidative potential, low or negligible chemical oxygen demand (COD) and high heavy metals concentrations (acid mine drainage), that can dramatically damage the flora and fauna of water bodies. The aim of this PhD is to study the effect of electron donor supply on the biological SR process by sulphate reducing bacteria in bioreactors. The biological SR process was studied using carbohydrate based polymers (CBP) and lignocelulosic biowaste (L) as slow release electron donors (CBP-SRED and L-SRED, respectively) in batch bioreactors and continuously operated inverse fluidized bed bioreactors (IFBB). IFBB were vigorously tested for SR under high rate and transient (feast-famine) feeding conditions. In another bioreactor configuration, a sequencing batch bioreactor, the effect of the initial SO42- concentration on the reactor start-up was investigated. Besides, the effect of the initial concentration of electron donor, NH4+, and SO42- were evaluated in batch bioreactors as well. The robustness and resilience of SR was demonstrated in IFBB using lactate as the electron donor wherein the SO42- removal efficiency (SRE) was comparable in the feast period (67 ± 15%) of IFBB2 to steady feeding conditions (71 ± 4%) in the same IFBB2 and to IFBB1, the control reactor (61 ± 15%). From artificial neural network modeling and sensitivity analysis of data of IFBB2 operation, it was envisaged that the influent SO42- concentrations affected the COD removal efficiency, the sulphide production and pH changes. In another IFBB3 at a COD:SO42- ratio of 2.3, SR under high rate conditions (HRT=0.125 d) was 4,866 mg SO42-. L-1 d-1 and a SRE of 79% was achieved. Besides, the Grau second order and the Stover-Kincannon substrate removal models fitted the high rate reactor performance with r2 > 0.96. The COD:SO42- ratio was the major factor affecting the SR. In batch bioreactors, using filter paper as CBP-SRED, SR was carried out at > 98% SRE. Using scourer as L-SRED, a 95% SRE was achieved. However, when the scourer was used as the L-SRED carrier material in an IFBB4, the SR showed 38 (± 14) % SRE between 10-33 d of operation. The SR was limited by the hydrolysis-fermentation rate and, therefore, the complexity of the SRED. Concerning sequencing batch bioreactor operation, the SR process was affected by the initial SO42- concentration (2.5 g SO42-.L-1) during the start-up. The sequencing batch bioreactor performing at low SRE (< 70%) lead to propionate accumulation, however, acetate was the major end product when SRE was > 90%. In batch bioreactors, the NH4+ feast or famine conditions affected the SR rates with only 4% and the electron donor uptake was 16.6% greater under NH4+ feast conditions. The electron donor utilization via the SR process improved simultaneously to the decreasing initial electron donor concentrations. This PhD research demonstrated that the SR process is robust to transient and high rate feeding conditions. Moreover, SR was mainly affected by the approach how electron donor is supplied, e.g. as SRED or as easy available electron donor, independently of the COD:SO42- ratio. Besides, the electron donor and SO42- utilization were affected by the lack or presence of nutrients like NH4+

Des phénomènes de fluidisation de billes magnétiques apparaissent à l'échelle micrométrique au sein du système de lit fluidisé microfluidique. On obtient un fonctionnement en flux continu à basse pression de travail avec un étroit contact liquide/solide et une recirculation constante des billes, des caractéristiques avantageuses pour des applications dédiées à la pré-concentration de cibles biologiques. La caractérisation du système physique a montré l'influence de paramètres tels que la géométrie de la chambre ou la distribution du champ magnétique, leur optimisation étant nécessaire pour obtenir des phénomènes de fluidisation à cette échelle et améliorer le mélange et la distribution des billes. De plus, le potentiel du lit fluidisé comme plateforme pour des bio-essais analytiques a été exploré avec succès lors d'applications biologiques: 1) la pré-concentration de bio-markers de la maladie d'Alzheimer et leur marquage in situ pour un future couplage avec des techniques de détection sensibles; 2) la détection de bactéries sans besoin de marquage préalable à travers une immuno-capture suivie d'une culture donnant lieu à des changements physiques du support fluidisé; 3) l'extraction d'ADN contenant un gène cible et son ultérieur amplification enzymatique sur la surface des billes, suivie d'une détection multiplexée des mutations présentes par un système de microarray. Ainsi, le lit fluidisé magnétique rend possible des applications au de-là d'un simple système de pré-concentration, permettant son utilisation comme une plateforme efficace de biologie moléculaire allant jusqu'à l'utilisation des propriétés autorégulatrices inhérentes au système comme mécanisme de détection. / With the use of an external magnetic field and magnetic microbeads, the microfluidic magnetic fluidized bed system enables fluidization phenomena at the microscale. This results in flow-through operations at low driving pressures with intimate liquid/solid contact and a continuous beads recirculation, interesting for efficient biological target preconcentration applications. The physical system has been characterized, showing the importance of chamber angle of aperture and height confinement as well as magnetic field distribution parameters, to obtain fluidization and further enhance mixing and maximize beads density. Further, the potential of the fluidized bed as a platform for analytical bioassays has been successfully explored with a series of biologically relevant applications: (1) the preconcentration of rare Alzheimer’s biomarkers together with their in situ fluorescence labeling for future enhanced detection with hyphenated techniques; (2) the label-free sensitive detection of bacteria in liquid food samples through the specific immunocapture and on-chip culture of these microorganisms and the resulting physical changes induced in the fluidized support; (3) the gene-specific extraction of DNA and its subsequent enzymatic amplification on the surface of the beads, coupled to a microarray detection system for a multiplexed detection of cancer-inducing mutations. These results show that the applications of the magnetic fluidized bed go beyond its initial conception as a dynamical affinity-based concentrator, serving as an efficient platform for molecular biology protocols and even making use of its inherent auto-regulating properties as a detection mechanism.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte du développement des laboratoires sur puce (LOC, « Lab On a Chip », permettant de réaliser plusieurs opérations nécessaires à l’analyse d’un échantillon biologique à l'intérieur d'un seul microsystème. Dans ce type de dispositif, de nombreuses étapes sont nécessaires avant d’arriver au résultat d’une analyse donnée (introduction de l'échantillon, concentration, mélange, purification, séparation, etc.). L’équipe microsystèmes du laboratoire Ampère étudie depuis plusieurs années différentes techniques de manipulation sans contact de particules, pour le tri ou de manipulation de particules individuelles dans les laboratoires sur puce, telles que la diélectrophorèse ou la magnétophorèse. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la manipulation acoustique de micro particules. Cette technique se révèle notamment avantageuse pour la manipulation d’objets biologiques comme des bactéries, car elle permet de s’affranchir de certaines contraintes de marquage ou de changement de milieu. Notre choix s’est porté sur l’emploi des ondes acoustiques de surface (SAW, « Surface Acoustic Waves »), compatibles avec la filière PDMS très utilisée dans la communauté des LOC. Outre la possibilité de simplifier l’intégration microfluidique de la pince acoustique, la technologie SAW offre une alternative aux dispositifs à pièges acoustiques fixes existant dans la littérature en permettant un contrôle en temps réel des particules piégées. C’est ce que nous avons réalisé expérimentalement : en jouant sur le déphasage entre les signaux d’alimentation électriques des transducteurs électromécaniques, nous pouvons modifier la position des noeuds et des ventres de l’onde acoustique résultante. Ainsi, nous avons pu contrôler en temps réel la position d’une bille en latex de 3 μm ou encore d’un faisceau de bactéries E.coli. Par ailleurs, nous avons réalisé une simulation par éléments finis de la puce acoustofluidique dans son ensemble permettant une meilleure compréhension de tous les phénomènes en jeu et l’optimisation du transfert énergétique entre la source électrique et la particule manipulée. Cette simulation nous indique notamment que l’amplitude de l’onde acoustique stationnaire sur le substrat piézoélectrique varie environ d’un facteur deux en fonction du déphasage imposé entre les deux sources électriques. Cela impacte donc dans la même proportion la force acoustique résultante. Cette variation semble être validée par nos dernières expériences. / In lab-on-a-chip (LOC) technologies, many sample preparation steps are required before achieving a biological analysis on a single chip (sample introduction, concentration, mixing, purification, separation, etc.). The microsystem team of the Ampere Lab has studied for many years different contactless particle manipulation techniques, for sorting or manipulating bioparticles in LOC platforms, such as dielectrophoresis and magnetophoresis. In this thesis, we focus on acoustic manipulation of microparticles. This technique is advantageous for the manipulation of biological objects such as bacteria, because labelling and medium exchange can be avoided. We chose to work with surface acoustic waves (SAW), because this approach is consistent with the use of PDMS, widely used in microfluidics. Besides an easier microfluidic integration of the acoustic tweezers, the SAW technology provides an alternative to the existing devices with fixed acoustic traps, allowing a real time control of the trapped particles. This was experimentally achieved by playing on the phase shift between the two electrical signals driving the IDT, thereby modifying the position of nodes and antinodes of the resulting pressure wave. As a result, we could control in real time the position of a 3 μm latex bead or an E.coli bacteria alignment. We have also developed a finite-element model of the whole acoustofluidic chip allowing a better understanding of the physics and the optimization of the energy transfer between the electrical source and the trapped particle. Among different results, this model informs us that the magnitude of the acoustic radiation force varies by a factor of two with the phase shift between the electrical sources. This result seems to be validated by our last experiments.

Shigella est une bactérie pathogène à Gram-négatif qui cause la shigellose ou dysenterie bacillaire. Cette maladie est une cause importante de morbidité chez les jeunes enfants et les adultes dans les pays en développement, avec presqu’un million de morts par an. Jusqu'à ce jour, aucun vaccin efficace contre Shigella n’est disponible et la prévalence croissante de souches multirésistantes fait de Shigella une menace importante en termes de santé publique. La virulence de Shigella est médiée par la sécrétion d'un arsenal de protéines (effecteurs) capables d'interférer avec diverses voies de signalisations de la cellule hôte. La sécrétion de effecteurs dépend d'un système de sécrétion de type 3 (SST3), véritable aiguille moléculaire assemblée à la surface bactérienne permettant l’injection les protéines de virulence dans le cytoplasme de la cellule hôte. Le SST3 est assemblé à 37 °C et est composé de trois parties distinctes: i) un bulbe cytoplasmique, ii) un corps basal et ii) une aiguille extracellulaire. Cette dernière est constituée de l’assemblage d’une centaine de copies de la protéine MxiH pour la partie extracellulaire et de plusieurs copies de la protéine MxiI pour la partie périplasmique. Avant le contact cellulaire, le SST3 est maintenu dans un état "OFF" d’une part, par un complexe de protéines (IpaD et IpaB) localisé au sommet de l’aiguille et, d’autre part par une protéine (MxiC) probablement située à la base du SST3 via son interaction avec MxiI. Suite au contact cellulaire, le SST3 est activé et permet la sécrétion d’IpaC, protéine hydrophobe formant, avec IpaB, un pore dans la membrane de la cellule hôte pour permettre la translocation des effecteurs. Suite à la détection du contact cellulaire par le complexe d’extrémité (IpaB et IpaD), un signal est transmit jusqu’à la base de l’aiguille afin d’activer la sécrétion de MxiC et finalement celle des effecteurs. Des études mutationnelles ont montré que la transmission du signal d'activation du haut vers la base de l’aiguille implique les sous-unités de l’aiguille MxiH et MxiI. Ce signal permet la dissociation de MxiC et MxiI et donc la libération des effecteurs. Dans ce travail, nous avons caractérisé le rôle de MxiI dans la transmission du signal d'activation de la sécrétion via une série de mutations dirigées et aléatoires et déterminé le domaine responsable de son interaction avec MxiC. D'autre part, nous avons mis en évidence un lien entre la sécrétion de MxiC par le SST3 et celle d'un effecteur, IcsB. IcsB nécessite une protéine chaperon, IpgA, pour sa stabilité et sa sécrétion. Une fois sécrétée, elle joue différentes fonctions dans la cellule hôte et notamment, permet l’échappement de Shigella à l’autophagie. Dans ce travail, nous avons montré que IcsB est capable de lier le cholestérol et que cette liaison est nécessaire pour l’échappement de de la bactérie à l’autophagie. Nous avons montré, en utilisant des approches biochimiques, qu’IcsB pourrait avoir une activité de type cystéine protéase via une diade catalytique conservée (C306 et H145). Nous avons identifié de nouveaux partenaires d'interaction d’IcsB, tels que OspB et VirA, ce qui pourrait permettre de mieux comprendre la fonction d’IcsB dans la cellule. En conclusion, ce travail a permis de mieux comprendre le mécanisme d'activation du SS T3 ainsi que la fonction de l'effecteur IcsB dans la virulence de Shigella. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished