Einleitung Die ständige Suche nach effektiveren und/oder weiteren botanischen Antibiotika im weiten Feld der geographischen Artenvielfalt macht den Stand der Forschung sehr unübersichtlich. Ziel dieser Arbeit ist es, durch Literaturrecherche eine Übersicht antimikrobiell wirksamer Pflanzen, Zubereitungen und Extrakte auf ausgewählte Bakterien der Mundhöhle aufzuzeigen. Material und Methoden Die Literaturrecherche erfolgte weltweit durch englische Schlüsselwörter in den elektronischen Datenbanken Cochrane Library, Pubmed / Medline, Embase und Google scholar für den Zeitraum bis einschließlich Dezember 2012. Ergebnisse Es wurden Veröffentlichungen über 735 Pflanzen gefunden, die auf ihre antimikrobielle Wirkung gegen folgende Mikroorganismen getestet wurden: Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Porphyromonas gingivalis, Treponema denticola, Tannerella forsythia, Fusobacterium nucleatum, Prevotella intermedia, Campylobacter rectus, Streptococcus mutans, Streptococcus mitis, Streptococcus oralis, Streptococcus sanguinis, Streptococcus gordonii. Gute antimikrobielle Wirkung zeigten Extrakte von 149 Pflanzen. In 87 klinischen Studien wurden Extrakte und Mixturen von ingesamt 61 Pflanzen untersucht, wovon nur 4 Studien keinen Effekt auf die klinischen Parameter hatten. Schlussfolgerung für die Klinik Pflanzenextrakte als neue potenzielle antimikrobielle Wirkstoffe in Prävention und Therapie von oralen Erkrankungen erforden noch weitere kontrollierte Studien in definierten Verfahren. / Introduction The constant search for more effective and / or other botanical antibiotics in the vast field of geographic diversity makes the state of research very confusing. The aim of this work is to show an overview of antimicrobial plants, preparations and extracts on selected bacteria of the oral cavity through literature. Material and Methods The literature search was carried worldwide by English keywords in the electronic databases Cochrane Library, PubMed / Medline, Embase and Google scholar for the period up to and including December 2012. Results Publications were found about 735 plants. They were tested for antimicrobial activity against the following microorganisms: Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Porphyromonas gingivalis, Treponema denticola, Tannerella forsythia, Fusobacterium nucleatum, Prevotella intermedia, Campylobacter rectus, Streptococcus mutans, Streptococcus mitis, Streptococcus oralis, Streptococcus sanguinis, Streptococcus gordonii. Extracts of 149 plants showed good antimicrobial effect. In 87 clinical studies, extracts and mixtures of a total of 61 plants were examined, of which only 4 studies had no effect on clinical parameters Conclusion for the clinic Require new potential plant extracts as antimicrobial agents in the prevention and treatment of oral diseases, further controlled studies in defined procedures

Clostridium perfringens est ubiquitaire dans l’environnement. Ce microorganisme peut être retrouvé dans la flore normale du tractus gastro-intestinal des mammifères et peut également causer une variété d’infections intestinales. Le phénotype de résistance à la bacitracine a déjà été rapporté chez C. perfringens mais les gènes associés n’ont pas été caractérisés. Dans cette étude, 24 des 99 isolats de C. perfringens aviaires testés ont démontré une résistance à la bacitracine. Les analyses ont révélé la présence d’un transporteur ABC ainsi que d’une undécaprénol kinase surproduite. Ces deux mécanismes semblent être codés par l’opéron bcrABDR. En amont et en aval des gènes bcr, un élément IS1216-like a été identifié, celui-ci pouvant jouer un rôle dans la dissémination de la résistance à la bacitracine. Des analyses d’hybridation sur ADN ont révélé que les gènes bcrABDR étaient localisés sur le chromosome. De plus, il a été démontré que les gènes bcr étaient exprimés en présence de bacitracine. Plusieurs études ont associé la tolérance aux antibiotiques et aux désinfectants à la formation de biofilm. Dans la littérature, peu d’informations sont disponibles sur le biofilm de C. perfringens. La majorité des isolats testés dans cette étude ont démontré la formation d’un biofilm. L’analyse de la matrice a démontré que celle-ci contenait des protéines, de l’ADN extracellulaire ainsi que des polysaccharides liés en bêta-1,4. Une meilleure survie des cellules en biofilm a été observée suite à une exposition à de fortes concentrations d’antibiotiques. Une exposition à de faibles doses de certains antibiotiques semblait diminuer le biofilm formé alors que pour d’autres, le biofilm semblait augmenter. Dans la présente étude, la susceptibilité des biofilms de C. perfringens à la désinfection a été également analysée. Les résultats ont démontré que la formation de biofilm protégeait les cellules de l’action du monopersulfate de potassium, des ammoniums quaternaires, du peroxyde d’hydrogène et du glutéraldéhyde. Toutefois, l’hypochlorite de sodium a été démontré comme étant efficace contre le biofilm de C. perfringens. Il a été démontré que les biofilms mixtes de C. perfringens cultivés en présence de Staphylococcus aureus ou d’Escherichia coli étaient plus résistants à la désinfection en comparaison aux biofilms simples de S. aureus ou d’E. coli. Toutefois, le biofilm simple de C. perfringens était plus résistant à la désinfection que les biofilms mixtes. Finalement, les profils de transcription entre les populations planctoniques et en biofilm ont été analysés par séquençage d’ARN. L’analyse transcriptomique du biofilm a identifié 238 gènes différentiellement exprimés entre les deux conditions. Les gènes négativement régulés sont impliqués dans la virulence, la production d’énergie, le métabolisme des sucres ainsi que dans la biosynthèse des acides gras et des acides aminés alors que les gènes induits sont impliqués dans la réponse au stress et au stress oxydatif, dans la biosynthèse d’acides gras et de phospholipides ainsi que dans la virulence. Cette étude décrit pour la première fois la découverte des gènes associés à la résistance à la bacitracine chez C. perfringens. Elle rapporte également de nouvelles données sur la matrice du biofilm, la tolérance aux antibiotiques et aux désinfectants ainsi que sur le transcriptome du biofilm de C. perfringens. / Clostridium perfringens is ubiquitous in the environment. This microorganism can be found in the intestinal tract of mammals as normal flora and can also cause many gastrointestinal infections. Phenotypic bacitracin resistance has been reported in the literature for C. perfringens but the genes responsible for this resistance have not yet been characterized. In this study, twenty-four of the 99 poultry isolates tested showed bacitracin resistance. Analysis revealed putative genes encoding for both an ABC transporter and an overproduced undecaprenol kinase. These two mechanisms were shown to be both encoded by the putative bcrABDR operon. An IS1216-like element was found upstream and downstream from the bcr cluster, which may play a role in the dissemination of this resistance determinant. DNA hybridization analyses revealed that the bacitracin resistance genes bcrABDR were located on the chromosome. Moreover, this gene cluster has been showed to be expressed under bacitracin stress. Many studies have associated tolerance to antibiotics and disinfectants to biofilm. In the literature, very little is known on the biofilm formation by C. perfringens. Most of the C. perfringens isolates tested in this study were able to form biofilms. Matrix composition analysis revealed the presence of proteins, extracellular DNA and beta-1,4 linked polysaccharides. Biofilm could also protect C. perfringens bacterial cells from an exposition to high concentrations of antibiotics. Exposition to low doses of antibiotics tended to lead to a diminution of the biofilm formed but for few isolates, the biofilm formation was increased. In the present study, susceptibilities of C. perfringens biofilms to disinfectants were also analysed. Results showed that biofilms can protect the bacterial cells from the action of potassium monopersulfate, quaternary ammonium chlorides, hydrogen peroxide and gluteraldehyde solutions. However, sodium hypochlorite solution was shown to be effective on C. perfringens biofilms. Our investigation of dual-species biofilms of C. perfringens with the addition of Staphylococcus aureus or Escherichia coli demonstrated that these dual-species biofilms were more tolerant to disinfection with sodium hypochlorite than the mono-species biofilms of S. aureus or E. coli. However, further disinfection studies using sodium hypochlorite suggest that the mono-species biofilms formed by C. perfringens is more tolerant to this disinfectant than the dual-species biofilms of C. perfringens with S. aureus or E. coli. Finally, the differential gene expression patterns between planktonic populations and biofilms of C. perfringens were investigated by RNA sequencing. The transcriptomic analysis identified 238 genes that were significantly differentially expressed between both conditions. Genes that were down-regulated in biofilm cells, relative to planktonic cells, included those involved in virulence, energy production, carbohydrate metabolism, fatty acids and amino acids biosynthesis. On the other hand, genes up-regulated in biofilm cells were involved in oxidative and stress responses, fatty acids and phospholipids biosynthesis and few genes were involved in virulence. This study reports on the discovery of genes associated to bacitracin resistance of C. perfringens. Our work brings also new data on matrix cohesion of the biofilm, tolerance to antibiotics and disinfectants, and on the transcriptome of the biofilm of C. perfringens.

Les piles à combustible microbienne (PACMs) sont des piles capables de convertir l'énergie chimique de combustibles organiques directement en énergie électrique. Dans ces piles, l'oxydation du combustible est assurée par des micro-organismes dits "électro-actifs" qui forment des biofilms à la surface de l'anode et jouent le rôle de catalyseur des réactions électrochimiques. Les travaux qui font l'objet de ce manuscrit ont eu pour objectif d'optimiser des anodes microbiennes formées à partir de la flore bactérienne contenue dans des terreaux de jardin. Les expériences effectuées en chronoampérométrie avec un système à trois électrodes ont conduit à la première démonstration expérimentale que des densités de courant de 66 A/m2 pouvaient être obtenues en formant les anodes microbiennes sur des ultra-microélectrodes. Sur des électrodes de taille normale, la mise au point d'une nouvelle technique (polarisation retardée) pour la formation de biofilms microbiens a permis d'obtenir des densités de courant de 9,4 A/m2 après seulement 3 jours de polarisation tandis que le protocole conventionnel demandait quelques semaines pour obtenir 6 à 8 A/m2. L'étude de différents matériaux d'électrode a indiqué que l'acier inoxydable qui permit d'atteindre des densités de courant de 21 A/m2 présente un grand intérêt pour la formation de biofilms électro-actifs. En effet, les électrodes en tissu de carbone ont assuré jusqu'à 34,3 A/m2, voire 50 A/m2 en anaérobiose, mais elles bénéficiaient d'une structure tridimensionnelle. La mise en oeuvre des anodes microbiennes optimisées dans les PACMs a assuré la production de 6,0 W/m2. L'élaboration d'un nouveau prototype intégrant un système de cathode amovible a permis d'allonger la durée de vie initiale de la pile de 2 semaines à plus de 2 mois / Microbial fuel cells (MFC) are devices capable to convert chemical energy from organic fuels directly into electrical energy. In these cells, the fuel oxidation is provided by micro-organisms known as "electro-active"; these microorganism form biofilms on the surface of the anode and act as a catalyst for electrochemical reactions. The aim of this work was the optimisation of microbial anodes formed from bacterial flora contained in garden soils. The chronoamperometric experiments performed in a three-electrode system showed for the very first time in these systems that current densities of 66 A/m2 could be obtained by forming microbial anodes on ultra-microelectrodes. On electrode of normal size, the development of a new technique (delayed polarisation) for designing microbial biofilms produced current densities of 9.4 A/m2 after 3 days of polarisation, while the conventional protocol asked a few weeks for obtaining 6 to 8 A/m2. The study of different electrode materials indicated that stainless steel allowed reaching current densities up to 21 A/m2, which makes it a suitable candidate for designing electro-active biofilms. Indeed, the carbon electrodes provided up to 34.4 A/m2, even 50 A/m2 in anaerobic conditions, but the electrodes benefited of a three-dimensional structure contrasting the stainless steel electrode. The use of optimised microbial anodes in MFCs insured the production of 6 W/m2. In addition, the development of a new prototype containing a removable cathode allowed extending the lifetime of the initial MFC from 2 weeks to over 2 months

Un grand nombre d'espèces microbiennes, issues d'environnements divers et présentant une large gamme de métabolismes différents, peuvent produire de l'hydrogène par voie fermentaire. Jusqu'à présent, les études ont principalement porté sur l'utilisation de cultures microbiennes pures, voire génétiquement modifiées, en vue d'optimiser la production de biohydrogène à partir de sucres simples ou peu complexes. Les efforts de recherche portent désormais sur l'utilisation de cultures microbiennes mixtes pour produire du biohydrogène à partir de sources organiques plus complexes issus par exemple du traitement de la biomasse. Toutefois, la présence de voies métaboliques alternatives tout comme l'instabilité du processus biologique constitue des verrous scientifiques et techniques qu'il conviendra de lever pour une application potentielle. Ceci nécessite entre autre une meilleur connaissance des interactions bactériennes et donc métaboliques présentent au sein du consortium.Pour cela, nous avons développé une approche innovante et pluridisciplinaire d'ingénierie écologique qui consiste en la conception, la construction et l'étude d'un consortium microbien synthétique afin d'établir les paramètres régissant les réseaux d'interactions métaboliques avec pour objectif d'optimiser la production d'hydrogène. Dans un premier temps nous avons choisit d'étudier les réseaux d'interactions métaboliques entre deux souches modèles connues comme partie prenante d'un consortium bactérien naturel, une bactérie du genre Clostridie et une du genre Desulfovibrio, la première étant productrice d'hydrogène par fermentation / Numerous microorganisms can produce hydrogen by “dark fermentation”. Isolated from various environments, they present a broad range of different metabolisms. Until now, literature reports have mainly dealt with the use of pure microbial cultures producing biohydrogen from simple sugars, such as glucose and sucrose. More recently, studies on biohydrogen production by mixed cultures from complex organic sources have been developed. Even though biohydrogen productivities and conversion yields can be interesting for industrial purposes, several scientific and technical constraints remain to be addressed. In particular, the presence of alternative metabolic ways of hydrogen consumption generally results in chronic instability of the biological processes. To increase the stability and the efficiency of dark fermentative processes, it is now necessary to acquire a better understanding of the metabolic interaction networks existing between producing and consuming microorganisms.We have developed an innovative and multidisciplinary approach to ecological engineering, which consists of the construction and study of synthetic microbial consortia to establish the metabolic networks existing between microorganisms for further optimization of biohydrogen production. First we have studied the networks of metabolic interactions between two bacterial models known as involved in a natural bacterial consortium: a bacterium from Clostridium genus; Clostridium acetobutylicum and one from Desulfovibrio genus, Desulfovibrio vulgaris Hildenborough. The first one being producing of hydrogen by fermentation of complex sugars and the second

La vasière intertidale de Brouage, écosystème très étudié localement de longue date, a fait l’objet depuis 5 ans d’analyses plus approfondies notamment sur le devenir du biofilm microbien se formant à la surface des sédiments à marée basse. Ce travail de thèse s’inscrit dans cette optique. Il propose, par le couplage d’outils mathématiques et écologiques, d’analyser le réseau trophique de la vasière de Brouage sous différentes conditions abiotiques à partir de la synthèse des données les plus récentes. La modélisation inverse a permis d’estimer les flux manquants du réseau trophique. Les calculs d’indices d’analyse des réseaux écologiques ou ENA (Ecological Network Analysis) ont caractérisé la structure et le fonctionnement du réseau trophique.Un premier travail méthodologique, basé sur la dégradation-reconstruction d’un jeu de données très complet, a défini la meilleure fonction, la moyenne, pour le choix d’une seule solution pour chaque flux à la sortie de la modélisation inverse. La moyenne est la meilleure fonction puisque son utilisation aboutit à une bonne estimation des flux manquants quel que soit le niveau d’information intégré au modèle. Cette fonction permet aussi une bonne préservation de la structure et du fonctionnement du réseau trophique ainsi reconstruit. Le réseau trophique de la vasière de Brouage à basse mer a été étudié sous un aspect saisonnier par l’opposition de l’été et de l’hiver, l’hiver étant caractérisé par la présence d’oiseaux migrateurs sur la vasière. L’activité limicole des oiseaux est soutenue en hiver par une forte production du microphytobenthos et un fort recyclage de la matière. L’organisation interne et la spécialisation des flux restent cependant semblables pour les deux saisons considérées. Dans un deuxième temps, le réseau trophique à pleine mer en été a été modélisé sous différentes conditions hydrodynamiques permettant ou pas la remise en suspension du biofilm microbien. La comparaison entre ces deux situations met en évidence l’effet de la remise en suspension sur le couplage benthos-pelagos. Le système soumis à la remise en suspension présente un très faible indice de recyclage lié à la faible intégration au réseau trophique pélagique du carbone particulaire benthique remis en suspension. De plus, la remise en suspension provoque une augmentation de l’activité du système couplée à une faible spécialisation des flux, ce qui est supposé déstabiliser le système. / The Brouage mudflat is an intertidal ecosystem which has been studied locally for a long time. During the last 5 years, in depth studies have especially focused on the fate of the microbial biofilm which develops at the surface of the sediments at low tide. The present Ph.D. work was accomplished in this framework. It proposes, through the synthesis of the most recent data, to combine mathematical and ecological tools to analyze the Brouage food web under different abiotic conditions. The inverse modeling allowed estimating the unknown flows of the food web. The calculation of the ENA (Ecological Network Analysis) indices characterized the structure and the functioning of the food web. A methodological work, based on the degradation/reconstruction of a complete data set, determined the best function, the mean, to choose a single solution for each flow among the set of values estimated by the inverse modeling. The mean is the best function because it leads to a good estimation of the unknown flows irrespective of the quantity of information integrated in the model. Moreover, this function allows a good conservation of the structure and functioning of the reconstructed food web.The Brouage food web at low tide was investigated with a seasonal approach by the opposition of the summer and the winter food webs, the latest being characterized by the presence of migratory shorebirds. The shorebird activity is sustained by a strong primary production and a strong recycling. Nevertheless, the internal organization and the specialization remain similar for the two seasons. In a second step, the food web at high tide was modeled under different hydrodynamical conditions sufficient or not to induce the resuspension of the microbial biofilm. The comparison between the two food webs highlights the effect of the resuspension on the benthos-pelagos coupling. The recycling activity is low due to the low integration of the resuspended benthic particulate carbon in the pelagic food web during resuspension. Additionally, the resuspension leads to an increase of the activity of the whole system coupled with a drop of the specialization of the trophic pathways that is supposed to destabilize the system.

Les biofilms bactériens se développent sur toute interface liquide-solide dès que les conditions sont favorables. Ils correspondent à des assemblages de microcolonies qui baignent dans une matrice extracellulaire polymérique. Parmi les facteurs contrôlant le développement des biofilms, l’hydrodynamique est un paramètre clé qui affecte la morphologie et la composition du biofilm. Nous nous intéressons plus particulièrement dans cette thèse à l'influence du gradient de vitesse pariétal sur la formation du biofilm. Pour cela, nous utilisons un réacteur Couette-Poiseuille qui permet de travailler sous écoulement laminaire stable dans différentes conditions d'écoulement. Les biofilms obtenus après circulation d'eaux usées, sont prélevés sur des coupons et visualisés par microscopie confocale à balayage laser. Différents paramètres caractérisant la morphologie du biofilm sont déterminés après reconstruction 3D de leur structure à l'aide du modeleur GOCAD. Nous montrons que le transport convectif constitue une étape essentielle dans la formation initiale du biofilm, et qu'un gradient pariétal nul permet d'inhiber le développement de celui-ci / Bacterial biofilms develop on any solid-liquid interface whenever conditions are appropriate. They correspond to microcolony assemblages embedded in an extracellular matrix. Among the factors controlling biofilm growth, hydrodynamics is a key parameter affecting both biofilm morphology and composition. In this thesis we investigate the influence of hydrodynamics, and more precisely the wall shear rate effect on biofilm development. For this purpose, a Couette-Poiseuille reactor, allowing to work under stable laminar flow with different flow velocities, was used. Biofilms grown from urban wastewater on coupon surfaces were observed with confocal scanning microscopy. A 3D modeling using GOCAD software was established, thus allowing the determination of various biofilms structural characteristics. The results show the essential role of convective mass transport in biofilm formation, actually a zero wall shear rate inhibited bacterial deposition, and hence biofilm growth

Shewanella oneidensis est une bactérie aquatique capable de chimiotactisme, c'est-à-dire d'orienter sa nage en réponse aux signaux qu'elle perçoit. Mon travail de thèse s'est focalisé sur l'étude du système chimiotactique de cette bactérie. Mon premier objectif a été d'identifier de nouveaux substrats induisant une réponse chimiotactique ainsi que les chimiorécepteurs les détectant. Une approche à haut débit utilisant une banque de substrats, couplée à une recherche de substrats plus spécifiques, a permis d'identifier de nouveaux signaux. Nous avons confirmé que S. oneidensis est attirée par les accepteurs alternatifs d'électrons ainsi que par certains métaux. Nous avons montré qu'elle est attirée par le malate et le chromate et repoussée par le nickel et le cobalt. Nous avons identifié deux MCPs potentiellement impliqués dans la détection du malate et un dans la détection du chromate.Mon second objectif a été de comprendre le rôle du système chimiotactique dans la formation d'un biofilm flottant : la pellicule. Nous avons montré que le développement de la pellicule est un processus en trois étapes déclenché par la détection de l'oxygène en condition statique, probablement par aérotactisme. Nous avons mis en évidence l'implication inattendue du chimiotactisme dans la formation de la pellicule. En effet des mutants délétés de gènes codant pour des éléments du système chimiotactique ne forment pas de pellicule normale. Le développement de la pellicule met en jeu d'autres signaux chimiotactiques, générés au sein de la pellicule, qui pourraient intervenir dans la localisation des cellules et l'homogénéisation de la pellicule au cours de sa maturation. / Shewanella oneidensis is an aquatic bacterium capable of chemotaxis, meaning that it can change its direction in response to detected signals. My thesis focused on the study of the chemotaxis system of this bacterium.The first objective of my thesis was to identify new substrates inducing a chemotactic response and the chemoreceptors involved in their detection. A high-throughput technique involving a library of solutes coupled with a search of more specific compounds allowed to identify new signals. We confirmed that S. oneidensis is attracted toward alternative electron acceptors and by several metals. We showed that S. oneidensis is attracted toward malate and also chromate. Finally, we identified two repellents, nickel and cobalt. After construction of deletion mutants, we identified two MCPs potentially involved in malate detection and one in chromate detection.The second objective of my thesis was to understand the role of the chemotaxis system in the formation of a floating biofilm: the pellicle. We first characterized the pellicle development through time, revealing that it is a three-step process. We then highlighted the unexpected role of the chemotaxis system in pellicle formation. Indeed mutants deleted of genes coding for chemotaxis elements are not able to form a pellicle or form an abnormal one. We showed that oxygen is the main signal triggering pellicle formation in static condition and that it is probably detected through aerotaxis. Pellicle development also involves other chemotactic signals produced in the pellicle which could be used in the localization of cells at the air-liquid interface but also in the homogenization of the pellicle.

Dans le cadre du présent travail, nous nous intéressons à l'étude de l'impact des conditions hydrodynamiques et des matériaux utilisés sur le développement de biofilm au niveau des conduites des systèmes de micro-irrigation. Cette étude contribue à l'amélioration de la compréhension de l'impact de ces paramètres dans la mise en place et la croissance du biofilm. Pour ceci, un montage expérimental aux conditions d'écoulement maîtrisées a été mis en place au laboratoire avec une eau usée modèle de forte concentration en DCO (200 mg.L-1). Le suivi des paramètres de qualité d'eau (COT et oxygène dissous) ont été réalisés au cours des expérimentations. La masse du biofilm récupéré dans les conduites a été mesurée après un séchage à l'étuve à 105°C pendant 24 heures. Les résultats montrent une cinétique de développement du biofilm dans les conduites et confirment l'influence de l'hydrodynamique sur le développement de biofilm. Trois vitesses d'écoulement ont été testées (0,4, 0,8 et 1,2 m. s-1), le biofilm a tendance à se développer dans les conduites à plus faible vitesse. Une valeur seuil, à partir de laquelle la croissance du biofilm est observée tardivement, a été également identifiée. Les résultats obtenus ont été utilisés pour paramétrer un modèle cinétique simple qui permet de décrire le développement de biofilm en fonction des conditions hydrodynamiques. D'autres expérimentations ont été réalisées en parallèle pour étudier l'impact des matériaux plastiques (PE et PVC) et la configuration des conduites du montage expérimental sur le développement de biofilm. / This work aims to improve our understanding on how these parameters impact biofilm establishment and growth. For this purpose, we carried out an experiment in controlled hydrodynamic conditions using a synthetic effluent (200 mg.L-1 of COD concentration). Some water quality parameters (TOC and dissolved oxygen) were monitored . Moreover, biofilm was removed from pipes and then weighed after drying at 105°C for 24 hours. The obtained results confirmed the influence of hydrodynamic on biofilm development. Three flow rates were tested (0,4 ; 0,8 and 1,2 m.s-1) and it was observed that biofilm tends to develop in pipes at lower velocities. A threshold velocity value, from which biofilm growth was observed later, was also identified. The experimental results were used to build a simple model to describe biofilm development as a function of hydrodynamic conditions. Additionnal experiments were performed to study the impact of plastic materials (PE and PVC) and pipes configuration on biofilm growth

La contamination des matériaux par les bactéries est un processus naturel et spontané pouvant être à l’origine de graves infections. Actuellement, les techniques de lutte contre la biocontamination font appel à l’utilisation de matériaux biocides. Ces méthodes sont cependant sujettes à controverse puisqu’il a été mis en évidence qu’elles pouvaient être toxiques, que leur efficacité pouvait diminuer dans le temps et surtout qu’elles pouvaient participer à rendre les bactéries de plus en plus résistantes. La formation d’un biofilm impliquant l’adhésion des bactéries sur les surfaces, de nouvelles stratégies ont été développées par la conception de surfaces limitant leurs interactions avec les bactéries, telles que les surfaces anti-adhésives superhydrophobes. En effet, dans ce cas, l’adhésion est réduite par la présence d’une couche d’air entre les bactéries et la surface. Dans ce projet, deux matériaux ont été rendus superhydrophobes : un acier inoxydable 316 par électrodéposition de polymères hydrocarbonés ou fluorés dérivés du poly(3,4- éthylènedioxythiophène), et un PET par des traitements plasma successifs d’oxygène, de polypyrrole et de CF4. Le contrôle des paramètres expérimentaux ont permis d’obtenir des surfaces d’hydrophobie et de morphologie variables de façon à pouvoir étudier l’influence de ces propriétés physico-chimiques sur la bioadhésion et la formation de biofilm de trois souches bactériennes : P. aeruginosa, L. monocytogenes et S. aureus. Il a ainsi été mis en évidence, dans les conditions testées, l’importance de la présence de fonctions fluorées associée à une structuration contrôlée pour diminuer la biocontamination de surfaces. / Bacterial surface contamination is a natural and spontaneous process involved in serious infections. Currently, biocidal materials are used to avoid the biocontamination. However, these methods are not sufficient because of their toxicity, their loss of efficiency over time and mainly because they can make the bacteria more resistant.The biofilm formation involving the bacterial adhesion on surfaces, new strategies have been developed with the conception of surfaces reducing their interactions with bacteria, such as superhydrophobic surfaces. In fact, bacterial adhesion could be reduced by the presence of an air layer between superhydrophobic surface and bacteria. In this project, two substrates have been made superhydrophobic: 316 stainless steel by electrodeposition of hydrocarbon or fluorocarbon polymers, derived from poly(3,4- ethylenedioxythiophene), and PET by successive plasma treatments of oxygen, polypyrrole and CF4. The control of experimental parameters led to different water repellency and surface morphologies, and allows the study of the effect of these physico-chemical properties on the bioadhesion and the biofilm formation with three bacteria: P. aeruginosa, L. monocytogenes and S. aureus. Thus, it has been shown the important role of fluorinated chains and controlled surface structures to reduce the surface biocontamination.

La plupart du temps, les bactéries vivent au sein de biofilms : un tissu biologique accroché sur des surfaces (molles ou solides), qui est composé de bactéries et de matrice extracellulaire. Lors de cette thèse nous avons étudié les mécanismes qui contrôlent la formation d’un biofilm à l’interface eau-air par Bacillus subtilis (BS). D’abord, nous avons observé l’évolution phénotypique de BS au cours du développement de sa population en milieu liquide, dans des conditions de culture standard (pas de biofilm in fine). Nous avons constaté que la population exhibe différents types cellulaires (phénotypes) au cours du temps. Puis, afin d’observer les étapes de la formation d’un biofilm, nous avons créé une expérience qui permet de suivre l’évolution macroscopique de la concentration des bactéries et sa répartition spatiale au sein du milieu de culture. Nous constatons qu’une accumulation de bactéries se forme en dessous de l’interface eau-air avant même l’apparition d’un biofilms. Cette accumulation est concomitante avec de la convection dans le fluide (bioconvection). Le biofilm apparait lors de la phase de croissance de la population en bactérie pour une concentration moyenne dans le milieu de culture de l’ordre de 10¹³ bactéries/m³. Ensuite, nous avons formulé un modèle continu qui renseigne sur l’évolution de l’environnement des bactéries. Ce modèle reproduit la bioconvection observée dans les expériences et révèle son effet sur la concentration en dioxygène dissous dans la culture. Enfin, nous avons construit un modèle hybride continu-discret qui décrit la transition de bactéries déconnectées (nomades) vers des bactéries connectées formant un biofilm solide (sédentaires). Chaque bactérie est considérée comme une particule individuelle. Le modèle tient compte des forces de contact, ainsi que les forces élastiques qui peuvent s’établir entre les bactéries lorsqu’elles sont liées par de la matrice. Un nombre minimal d’aptitudes biologiques a été utilisé pour modéliser les bactéries : la division cellulaire qui leur permet de coloniser le milieu de culture, la motilité et l’aérotactisme qui explique leur migration vers la surface liquide, le quorum sensing (QS) et la différenciation cellulaire qui leur permet de passer du phénotype nomade (motile) au phénotype sédentaire (producteur de matrice). L’environnement en dioxygène des bactéries et les propriétés hydrodynamiques du milieu sont décrits par des champs continus. Le modèle reproduit toutes les étapes de la formation d'un biofilm observées dans nos expériences et confirme la nécessité de certaines aptitudes biologiques. Il montre que le seuil de QS joue un rôle majeur dans la morphologie du biofilm et sa cinétique de formation. En revanche, le taux de consommation de dioxygène par les bactéries ne semble pas avoir de rôle important. Enfin, nous avons établi que la bioconvection agit comme un retardateur de la formation du biofilm. / Most of the time, the bacteria live inside the biofilm: the biological tissue that is attached to the surface (soft or solid), is made of the bacteria and of extracellular matrix. According to this thesis we study the mechanics that control the formation of a biofilm at the interface water-air by Bacillus subtilis (BS). First, we absorbed the phenotype evolution of the BS during the development of its population in liquid medium, under the conditions of a standard culture (no of biofilm in fine). We noticed that the population exhibits different cellular types (phenotypes) during this time. Then, after absorbing the different stages of the development in the formation of a biofilm, we created an experience that allows us to follow the macroscopic evolution of the concentration of the bacteria and its special distribution in the middle of the culture. We found that an accumulation of the bacteria forms under the surface water-air, even before the appearance of a biofilm. This accumulation is concomitant with the conservation in the liquid (bioconvection). The biofilm appears during the growth phase of the bacterial population in an average concentration in the culture medium of about 10¹³ bacteria / m³. Then, we formed a continuous model that shows us the evolution of the environment of the bacteria. This model reproduced the bioconvection that was observed in the experiments and reveals its effect on the concentration of oxygen in the biological culture. Finally we built a hybrid continuous-discreet model that described the transition of the disconnected bacteria (nomads) through the connected bacteria that form a solid biofilm (sedentary). Each bacteria is considered as an individual particle. The model takes the contact forces under consideration, as well as the elastic forces that can settle between the bacteria when linked by the matrix. A minimum number of biological skills were used to form a model from the bacteria; the cellular division that allowed it to colonize the medium biological culture, the motility and the aerotaxi that explains its migration towards the liquid surface, the quorum sensing (QS) and the cellular differentiation that allows them to spend nomadic phenotype (motile) sedentary phenotype (producer of matrix). The dioxygen environment of the bacteria and its middle hydrodynamic properties are described by continuous fields. The model reproduces all the formation steps of an observed biofilm in our experiment and confirms the need of certain biological skills. It shows that the threshold of QS plays a major role in the morphology and biofilm formation kinetics. On the other hand, the rate of diocygen consumption by the bacteria does not seem to have any significant role. Finally, we established that the bioconvection reacts as a retardant in the biofilm formation.