Thesis (Doctoral)--Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, 1982.

La compréhension des mécanismes qui contrôlent le transfert des éléments en traces métalliques (ETM) dans les hydro-systèmes est fondamentale car ceux-ci constituent des contaminants toxiques potentiels pour l'environnement et l'Homme. Dans ces travaux, la contribution des biofilms phototrophes, principaux acteurs du fonctionnement écologique et biogéochimique des eaux courantes continentales, a été évaluée dans le transfert et le fractionnement isotopique des ETM choisis, le cuivre (Cu) et le zinc (Zn). L'objectif est de mieux appréhender, via le couplage géochimique, microbiologique et écologique, les effets de l'exposition de biofilms aux ETM, conduite en conditions contrôlées, tant sur le comportement des ETM que la réponse de la communauté microbienne. Les expérimentations de 96 h d'exposition d'un biofilm mature aux ETM en milieux fermés et ouverts montrent un fractionnement isotopique opposé entre les processus physico-chimiques et biologiques sollicités. L'adsorption induit un enrichissement du biofilm en isotopes lourds par rapport à la solution avec un facteur d'enrichissement de +1,1±0,3 ‰ pour le Cu et de +1,2±0,4 ‰ pour le Zn. Inversement, le fractionnement isotopique induit lors de l'incorporation du Cu et du Zn dans le biofilm varie avec un facteur d'enrichissement allant de -0,6 à +0,8 ‰ pour le Cu et de +0,1 à +0,5 ‰ pour le Zn. Les analyses in-situ XAS (au seuil K du Cu) montrent que l'enrichissement en isotopes légers lors de l'incorporation du Cu est contrôlé par une réduction du Cu(II) en Cu(I). La variabilité du fractionnement isotopique lors de l'incorporation est expliquée par les différents processus intervenant au sein de la matrice du biofilm (diffusion, adsorption sur les groupes fonctionnels de la matrice d'exopolymères et à la surface des cellules, incorporation intracellulaire). Lors de l'excrétion de ces ETM, le biofilm induit aussi un fractionnement opposé et différent en fonction de la nature de l'ETM. La fraction métallique désorbée par le biofilm lors des premières heures est enrichie en isotopes légers de Zn et en isotopes lourds de Cu par rapport au biofilm avec un enrichissement variant respectivement entre -1,4 et 0 ‰ et entre +0,8 et +0,5 ‰. Les mécanismes d'efflux et de diffusion diminuent la magnitude de l'enrichissement et enduisent un enrichissement de la fraction excrétée par rapport au biofilm compris entre -0,7 et -0,3 ‰ pour le Zn et entre -0,36 et +0,35 ‰ pour le Cu. Ces résultats sont également obtenus dans le cadre d'une étude dynamique du fractionnement isotopique sur deux cycles circadiens consécutifs en système ouvert. Les études du fractionnement isotopique en fonction de la croissance du biofilm en relation avec l'évolution des communautés durant 59 jours de culture montrent une dépendance du fractionnement isotopique à la diversité des communautés et à son évolution temporelle. Le biofilm induit un enrichissement en isotopes lourds de +0,5±0,1 ‰ au 24ième jour qui diminue avec la diminution du rapport de la surface du biofilm sur son volume pour atteindre +0,0±0,3 ‰ au 59ième jour. Pour le Zn, en fonction de la diversité algale, la croissance du biofilm induit soit un fractionnement négatif d'une valeur moyenne de -0,16±0,04 ‰, soit n'induit pas de fractionnement entre le 24ième et 59ième jour (-0,1 <-66Zn(biofilm-solution) <+0,1 ‰). Cette étude reflète la complexité des processus biologiques associés aux biofilms phototrophes. Ainsi, l'utilisation des isotopes pour tracer les processus contrôlés biologiquement lors du transport du Cu et du Zn dans les cours d'eau demande i) la connaissance du temps de résidence du métal dans le biofilm, ii) le degré d'assimilation du métal dans la biomasse par rapport à son adsorption en surface, et iii) les différentes réactions élémentaires intervenant dans le biofilm. / Understanding mechanisms that control the metal trace elements (MTE) transfer in aquatic systems is fundamental because MTE are potential toxic contaminants to the environment and human populations. In this work, the contribution of benthic microbial aggregates (phototrophic biofilms), main actors of the ecological functioning and biogeochemistry of freshwater, was evaluated by the transfer and isotopic fractionation of selected two toxic and potentially essential metals, Cu and Zn. The aim is to better understand, via the coupling between different approaches (geochemical, isotopic, structural, microbiological, ecotoxicological), the relation between MTE concentration and isotope signature in solution and within the biofilm, depending on environmental conditions and the microbial community response. Sorption by a mature phototrophic biofilm of MTE during 96 h exposure in batch and open systems reactors exhibits opposite isotopic fractionation between physico-chemical and biological processes. The adsorption induces an enrichment in heavy isotopes of the biofilm relative to the solution during metal complexation with the surface functional groups with an enrichment factor of +1.1±0.3‰ for Cu and +1.2±0.4‰ for Zn. Conversely, the isotopic fractionation during Cu and Zn incorporation inside the biofilm is variable with an enrichment factor between the biofilm and the solution ranging from -0.6 to +0.8 ‰ for Cu and +0.1 to +0.5‰ for Zn. In situ X-ray Absorption Spectroscopy analysis of Cu chemical and structural status in the biofilm show that the enrichment in light isotopes during Cu incorporation is controlled by the reduction of Cu(II) in Cu(I). The variability of isotopic fractionation during incorporation are explained by different processes involved in the biofilm matrix (diffusion, adsorption by the functional groups of the exopolymeric matrix and at the surface of the cells, intracellular incorporation). During ETM excretion from the biofilm into the solution, contrasting fractionation of Cu and Zn is observed. The metal fraction desorbed by the biofilm at the beginning of excretion is enriched in lighter isotopes of Zn and in heavy isotope of Cu compared to the biofilm with an enrichment ranging from 0 to -1.4‰ and from +0.8 to +0.5‰ for Zn and Cu, respectively. Active efflux and diffusion processes decrease the isotopic enrichment magnitude inducing an enrichment of the excreted fraction compared to the biofilm ranging from -0.7 and -0.3‰ for Zn and from -0.36 and +0.35‰ for Cu. The isotopic results found for a dynamic study of Cu and Zn isotopic fractionation on two consecutive circadian cycles in open system are in general agreement with our 96 h sorption and excretion experiments. The isotopic fractionation experiments during the biofilm growth in relation to the evolution of communities (ecological succession) over 59 days exhibit a relationship between metallic isotopic fractionation and the community diversity and its temporal evolution. However, a general trend is observed for Cu with an enrichment in heavy isotopes of +0.5±0.1‰ after 24th day of growth that decreases with the decrease of the biofilm's surface/volume ratio to reach a value of +0.0±0.3 ‰ at the 59th day of growth. For Zn, in relation to algal diversity, the growth of the biofilm produces whether a negative isotopic fractionation equal to -0.16±0.04‰, or does not produce any isotopic fractionation between the 24th and 59th days of growth (-0.1<-66Zn(biofilm-solution)<+0.1 ‰).This study reflects the complexity of biological processes associated with phototrophic biofilms. The use of stable isotopes to trace the processes controlled biologically during transport of Cu and Zn in surface waters requests i) knowledge of metal residence time in the biofilm, ii) the degree of assimilation of the metal in biomass compared to its surface adsorption, and iii) the various elementary reactions involved in the biofilm.

Biofilme aeroterrestrischer Mikroorganismen stellen im nicht-medizinischen Bereich ein ständig größer werdendes Problem dar. Sie tragen ebenfalls wesentlich zur Verwitterung von Fassaden bei und verursachen durch die daraus resultierende Notwendigkeit der Entfernung des Biofilms und Instandsetzung der Fassaden hohe Kosten. Auch das von Biofilmen auf Innenwänden von Gebäuden ausgehende Gesundheitsrisiko für den Menschen ist schwerwiegend. Solarzellen sind aufgrund ihrer rauen Glasoberfläche ebenfalls ein bevorzugter Siedlungsort für Biofilme. Auf diesen können sie durch Verschattung die Effizienz der Solarzellen deutlich herabsetzen. Die Entfernung von Biofilmen erfordert vor allem den Einsatz von Bioziden, welche ihrerseits eine Belastung für die Umwelt darstellen und zudem oft nur begrenzte Wirksamkeit zeigen. Ziel dieser Arbeit ist daher, das Potenzial der Photodynamischen Inaktivierung (PDI) als alternative Methode zur Beseitigung oder zur Prävention der Bildung von Biofilmen zu bestimmen. Dazu wurden unterschiedliche Photosensibilisatoren (PS) bezüglich ihrer Phototoxizität auf im Rahmen dieser Arbeit etablierte phototrophe Modellkulturen in Suspension, subaquatischen und subaerialen Biofilmen untersucht. Neben der Entwicklung der Biomasse während der PDI wurde mittels spektroskopischer Methoden zudem die Aktivität der Kulturen sowie die EPS-Sekretion und die Biofilmbildung gemessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die kationischen PS PCor+ und TMPyP zur PDI phototropher Kulturen erfolgreich genutzt und die Biofilmbildung verhindert werden kann. Es wurde gezeigt, dass dieses Resultat ohne Aufnahme der PS in die Zellen erzielt wird. Dies ist bezüglich der Vermeidung einer möglichen Resistenzentwicklung der Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung. Somit wurden mit dieser Arbeit die Voraussetzungen für die Entwicklung photodynamisch aktiver, antimikrobieller Oberflächenbeschichtungen zur Prävention des Wachstums aeroterrestrischer Biofilme geschaffen. / Biofilms of aeroterrestrial microorganisms are an ever-increasing problem in non-medical applications. They also contribute significantly to the weathering of facades and cause high costs due to the resulting necessity of removing the biofilm and repairing the facades. Furthermore, the health risk for humans caused by biofilms on interior walls of buildings is serious. In addition, solar cells are a preferred location for biofilms due to condensation on their rough glass surface. Growing there, they can significantly reduce the efficiency of the solar cells by shading, a problem which gains even more importance with increasing operating times of solar modules. In the removal of biofilms, biocides are prevalent. They are in turn a burden on the environment and often show only limited effectiveness. The aim of this work is therefore to determine the potential of Photodynamic Inactivation (PDI) as an alternative method to eliminate or prevent the formation of biofilms. Different Photosensitizers (PSs) were investigated with respect to their phototoxicity on phototrophic model cultures established in suspension, subaquatic and subaerial biofilms. In addition to biomass development during PDI, spectroscopic methods were used to measure culture activity, EPS secretion and biofilm formation. It was shown that the cationic PSs PCor+ and TMPyP can be successfully used for PDI of phototrophic cultures and that biofilm formation can be prevented. It has been shown that this result is achieved without uptake of PS into the cells. This is of decisive importance with regard to the avoidance of a possible resistance development in the microorganisms. Thus, this work created the prerequisites for the development of photodynamically active, antimicrobial surface coatings for the prevention of the growth of aeroterrestrial biofilms.

Dans un contexte global d'augmentation de la population, les réserves en eau des nappes phréatiques sont de plus en plus sollicitées. Pour pallier à cette exploitation, des systèmes d’infiltration artificiels ont été mis en place pour recharger les nappes avec de l’eau de surface. Néanmoins, ces systèmes subissent des pertes d’efficacité liées au colmatage du support d’infiltration par des processus physiques, chimiques ou biologiques. Face à ce phénomène, le travail de thèse a pour but de tester la faisabilité d’une technique d’ingénierie écologique par introduction d’un gastéropode, V. viviparus, pour limiter le colmatage de l’interface eau/sédiment de bassins d’infiltration utilisés pour recharger artificiellement l’aquifère sous-jacent au Rhône. Par des approches expérimentales, deux volets ont été abordés, (1) la dynamique des interactions biofilm/brouteur et les conséquences sur l’état physiologique du gastéropode et (2) la dynamique des interactions biofilm/gastéropode et les conséquences sur les propriétés hydrauliques et écologiques de l’interface eau/sédiment. Les résultats ont mis en évidence que (1) V. viviparus pouvait se maintenir dans les bassins d’infiltration aux différentes saisons, (2) V. viviparus pouvait limiter le colmatage biologique de l’interface eau/sédiment soit par ses actions trophiques (broutage), soit par des actions physiques (déplacement, pelletisation) et (3) V. viviparus n’a pas eu d’effet positif sur l’infiltration lorsque le colmatage était chimique. Pour conclure, V. viviparus apparait comme un bon candidat pour des solutions d’ingénierie écologique visant à restaurer des interfaces eau/sédiment, colmatées par un biofilm phototrophe. Ce travail ouvre des perspectives sur l’utilisation de solutions basées sur la nature à plus large échelle spatiale (e.g. pilote) et à des milieux naturels comme les zones humides / With the global increase of the population, groundwater reserves are increasingly exploited. To circumvent this problem, managed aquifer recharge systems using surface water are used worldwide. Nevertheless, the hydraulic performance of these systems is often altered by physical, chemical or biological clogging. This work aim to test the sustainability of ecological engineering solution based on the introduction of the gastropod, V. viviparus, to attenuate the clogging of the water/sediment interface of infiltration basins use for the recharge of the Rhône river aquifer. Two sections have been addressed with experimental approaches, (1) dynamic of biofilm/grazer interaction and its consequences on the physiological state of the gastropod and (2) dynamic of biofilm/grazer interaction and its consequences on the hydraulic and ecological properties of the water/sediment interface. Results show that (1) V. viviparus is able to survive in the infiltration basins at contrasted seasons, (2) V. viviparus can attenuate the biological clogging of the water/sediment interface, ether by trophic interaction (grazing) or physical actions (crawling activity, pelletization), and (3) V. viviparus has no positive effect on infiltration in case of chemical clogging. To conclude, V. viviparus appears to be a good candidate for ecological engineering solutions aiming to preserve and restore water/sediment interface impacted by biological clogging. This work provides useful information for the study of natured based solutions at larger scale (experimental pilot) and in natural ecosystems as wetlands