Biofilms grow on various surfaces and in many different environments, a phenomenon that constitutes major problems in industry and medicine Despite their importance little is known about the viscoelastic properties of biofilms and how these depend on the chemical microenvironment Here, we find that the mechanical properties of Pseudomonas aeruginosa (Pa) biofilms are highly robust towards chemical perturbations Specifically, we observe that Pa biofilms are able to fully regain their initial stiffness after yielding is enforced, even in the presence of chemicals Moreover, only trivalent ions and citric acid significantly affect the biofilm elasticity, the first of which also alters the texture of the material Finally, our results indicate that biofilm mechanics and bacteria viability inside the biofilm are not necessarily linked which suggests that targeting bacteria alone might not be sufficient for biofilm removal strategies

Mechanical robustness of Pseudomonas aeruginosa biofilms

Biofilms are communities of surface-adherent bacteria surrounded by secreted polymers known as the extracellular polymeric substance. Biofilms are harmful in many industries, and thus it is of great interest to understand their mechanical properties and structure to determine ways to destabilize them. By performing single particle tracking with beads of varying surface functionalization it was found that charge interactions play a key role in mediating mobility within biofilms. With a combination of single particle tracking and microrheological concepts, it was found that Escherichia coli biofilms display height dependent charge density that evolves over time. Statistical analyses of bead trajectories and confocal microscopy showed inter-connecting micron scale channels that penetrate throughout the biofilm, which may be important for nutrient transfer through the system. This methodology provides significant insight into a particular biofilm system and can be applied to many others to provide comparisons of biofilm structure. The elucidation of structure provides evidence for the permeability of biofilms to microscale objects, and the ability of a biofilm to mature and change properties over time.

Single particle tracking reveals spatial and dynamic organization of the Escherichia coli biofilm matrix

Les piles a combustible microbiennes, en tant que biotechnologie potentiellement durable, peuvent assurer la conversion directe de la matiere organique en electricite en utilisant des biofilms bacteriens comme biocatalyseurs. Dans un context politique ou les legislations francaises et europeennes favorisent et imposent la revalorisation des dechets organiques provenant des industries ou des collectivites territoriales, les biopiles microbiennes semblent un moyen peu couteux et prometteur pour repondre a ce besoin. Cette these a pour objectif d'ameliorer les connaissances sur la formation des biofilms electroactifs a la surface de l'anode, et de comprendre les mecanismes impliques dans la competition entre les bacteries electroactives et les autres communautes bacteriennes dans le but d'ameliorer la selection des bacteries electroactives dans le biofilm anodique. Une attention particuliere sera portee sur les forces de cisaillement comme un outil de control de la formation des biofilms anodiques. Ces recherches ont pour but a long terme d'ameliorer la production d’electricite produite par les biopiles microbiennes, et plus particulierement d’ameliorer les performances du compartiment anodique, en vue d’appliquer cette technologie dans les stations d’epurations pour la reduction du cout energetique du traitement des eaux usees. A travers cette these, differents points sur la dynamique des communautes bacteriennes lors de la formation du biofilm ont ete mis en evidence. La formation du biofilm est divisee en deux etapes. Dans un premier temps, les bacteries electroactives (EAB) non specifiques se developpent dans toutes les biopiles, produisant ou non de l'electricite et dans le milieu liquide comme sur l’anode. Les EAB specifiques deviennent ensuite plus competitives et predominantes mais seulement dans les biopiles produisant de l'electricite et seulement dans le biofilm anodique. Cette deuxieme etape correspond a une augmentation exponentielle de la production d'electricite. A partir de ces resultats, nous emettons l'hypothese qu'une inhibition de la premiere etape devrait diminuer la competition entre les EAB non specifiques et specifiques au cours de la colonisation anodique, et favoriser la croissance des EAB specifiques dans le biofilm. Nous proposons d'utiliser la contrainte de cisaillement pour selectionner les EAB specifiques pendant l'etape d'adhesion en detachant les EAB non specifiques. Dans un premier temps, pour cette etude, des biopiles avec une configuration de chambre a ecoulement de cisaillement ont ete concues, construites et mises en place. Les resultats demontrent que sous une contrainte de cisaillement elevee, l'abondance des EAB specifiques telle que Geobacter etait tres elevee, jusqu'a 30,14% en opposition a une contrainte de cisaillement faible ou l'abondance relative etait inferieure a 1%. En outre, la contrainte de cisaillement diminue le pourcentage de couverture de la surface anodique, ce qui montre que la selection des EAB specifiques se produit en detachant d'autres bacteries. Ainsi, la contrainte de cisaillement pourrait etre utilisee pour selectionner les EAB specifiques durant les premieres etapes d’adhesion. Enfin, l'effet de la contrainte de cisaillement sur la selection microbienne au cours de la croissance du biofilm a ete etudie. Ces resultats confirment les conclusions precedentes: les EAB specifiques sont selectionnees lorsque les contraintes de cisaillement sont plus elevees. Ce travail demontre le role majeur des contraintes de cisaillement dans la formation du biofilm L'utilisation de contraintes de cisaillement pourrait etre un moyen de controler la selection des EAB et la quantite de matieres mortes dans les biofilms anodiques. C’est un facteur qui devrait etre pris en compte dans l’architecture et la mise en place des reacteurs

Étude de l'activité électrocatalytique des biofilms microbiens en fonction des forces d'adhésion pour l'optimisation des performances des biopiles microbiennes

Detachment is one of the major processes determining the physical structure and microbial functionalities of biofilms. To predict detachment, it is necessary to take the mechanical properties of the biofilm and the effect of both hydrodynamic and growth conditions into account. In this work, experiments were conducted with biofilms developed under various shear stresses and with various substrate natures. In addition, two cases were considered in order to differentiate between the effect of hydrodynamic factors and growth factors: the biofilms were directly grown under the targeted shear stress (τ) condition or they were precultivated under very low shear stress (0.01 Pa) and then exposed to high shear stress in the range of 0.1–13 Pa. An exponential and asymptotic decrease of the biofilm thickness and mass with increasing τ was observed in both cases. On contrary density, expressed as the biofilm dry mass on a known substratum divided by the average thickness increased with τ. Denitrifying biofilms always showed greater thickness and density than oxic biofilms. These results showed the presence of a compact basal layer that resisted shear stresses as high as 13 Pa whatever the culture conditions. Above this basal layer, the cohesion was lower and depended on the shear stress applied during biofilm development. The application of shear stress to the biofilms resulted in both detachment and compression, but detachment prevailed for the upper part of the biofilms and compression prevailed for the basal layers. A model of biofilm structure underlying the stratified character of this aggregate is given in terms of density and cohesion.

Effect of shear stress and growth conditions on detachment and physical properties of biofilms

La connaissance et la maitrise de la presence d’un biofilm representent aujourd’hui un challenge important. Dans le contexte d’etude des capacites de developpement des biofilms, BioFilm Control fait figure de pionnier grâce a leur test nomme Biofilm Ring Test. Base sur une sollicitation du biofilm via l’attraction, par un aimant, de microbilles magnetiques au centre du puits, le test evalue la presence de biofilm par l’absence de regroupement des billes au centre du puits a un instant donne. L’enjeu de ce travail est de decliner le BioFilm Ring Test® en un examen dynamique, non destructif et a l’echelle microscopique. Dans le biofilm, la matrice polymerique assure la cohesion entre cellules et confere une protection aux bacteries qui vivent au sein du biofilm. Les proprietes mecaniques de la matrice sont donc un indicateur de l’etat local du biofilm. La recherche de ces parametres permet de pouvoir predire et controler la formation, l’accumulation et la dissemination de bacteries propageant les infections et/ou l’encrassement. Neanmoins, la determination des proprietes mecaniques des biofilms necessite des precautions et l’usage d’un vocabulaire homogeneise et de methodes unifiees au sein de la communaute. Pour cela, une premiere partie de ce travail de these consiste en la proposition d’un guide de bonnes pratiques quant a la caracterisation mecanique du materiau biofilm. Dans la deuxieme partie de ce travail de these, une methodologie pour le suivi de particules micrometriques au sein d’un materiau vivant est developpee. Le recours a des techniques d’imagerie telle que la correlation d’images numeriques permet de remonter a la cinematique du mouvement de chacune des microbilles, qui servent de marqueurs au sein des images traitees, par une mesure sans contact. Cette methode est ensuite appliquee a l’etude de la formation de biofilm. L’originalite de ce travail repose sur la caracterisation de l’evolution de la typologie du mouvement des microbilles metalliques lors de la formation des biofilms. Il s’agit la de discriminer des comportements de billes revelateurs de la genese d’un biofilm. En tirant parti de l’observation du mouvement de microbilles inertes introduites dans le milieu bacterien, on detecte des changements de typologies de trajectoires qui semblent etre relies a l’activite de bacteries sessiles, adhesion ou formation de materiel extracellulaire. Les resultats montrent que les diverses etapes de la formation de biofilms sont caracterisees, ce qui permet notamment de discriminer la presence ou non d’antibiotiques melanges avec les bacteries et d’apprecier leur efficacite. Dans une derniere partie, des recherches encore en phase de developpement sont exposees. Elles s’interessent au comportement du biofilm sous sollicitation volumique. Il s’agit dans ce cas d’observer le biofilm en champ lointain et de suivre le deplacement ou la deformation d’un marquage constitue d’un agglomerat de microbilles, plongees dans un champ magnetique. Ces premiers travaux pourront servir d’ebauche a des travaux futurs dans le but de caracteriser quantitativement le materiau biofilm.

Caractérisation in situ du développement d'un biofilm par suivi de microbilles à l'aide d'une méthode de corrélation d'images numériques

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