Modélisation multi-échelles du COuplage bioDIversité Structure dans les biofilms – DISCO

Les biofilms se rencontrent dans de nombreux écosystèmes naturels et comportent le plus souvent des milliards de micro-organismes, relevant de centaines voir de milliers d'espèces bactériennes différentes. Sous certaines conditions, ces bactéries produisent une matrice adhérente dont la structure spatiale, qui évolue dans le temps et selon leur environnement, est complexe. Les biofilms sont notamment utilisés dans les traitements modernes des eaux usées, car ils facilitent leur mise en œuvre et améliore l'efficacité de l'activité purificatrice des bactéries. La richesse de la diversité bactérienne, interagissant avec la structure spatio-temporelle du biofilm, est responsable des fonctions biologiques, des propriétés physiques et du rôle protecteur des biofilms. Les effets combinés de ces dynamiques sont encore fort mal comprises. Un axe récent de recherche développe des modèles individus-centrés, où les individus bactéries sont explicitement représentés avec leurs interactions biologiques et physiques. Cependant, ces modèles ne prennent en général en compte qu'un petit nombre d'espèces, et les puissances actuelles de calcul ne permettent des simulations que pour des douzaines de milliers d'individus au plus. Il existe en écologie des modèles de la biodiversité étudiant de nombreuses espèces pour de grands nombres d'individus, mais les structures spatiales considérés sont le plus souvent très simples. Notre objectif dans ce projet est de mieux comprendre les liens entre structure spatiale et biodiversité dans les biofilms, et comment ces liens à la fois agissent et dépendent des grandeurs macroscopiques généralement accessibles à la mesure dans les procédés réels de dépollution. Un des partenaires (INRA LBE) étudie de tels procédés et a accès à plusieurs types de données sur le biofilm: - observations microscopiques de la structure géométrique locale, - données issues de la biologie moléculaire (images instantanées de la diversité des communautés microbiennes, sans information sur la spatialisation), - mesures de propriétés macroscopiques des biofilms et acquisition en ligne de grandeurs macroscopiques (concentrations, dégagements gazeux,...). Les principales difficultés pour identifier un modèle individus-centré proviennent de l'impossibilité matérielle de suivre chaque individu dans un biofilm réel et de la double complexité 'espace-biodiversité'. La méthodologie que nous proposons de mettre en place s'appuie sur 1. la transformation des modèles individus-centrés en modèles effectifs plus simples à des échelles plus grandes, à l'aide de techniques mathématiques d'homogénéisation et de leur mise en oeuvre numérique, 2. des allers-retours entre expériences spécifiques donnant accès à des propriétés macroscopiques du biofilm et analyse mathématique des modèles réduits. L'objectif final sera de fournir des outils de compréhension et d'aide à la décision pour améliorer et piloter les biofilms industriels, notamment dans leur phase de démarrage. Sur le plan méthodologique, le projet offrira une étude exemplaire de l'articulation de modèles très différents, allant de modèles individus centrée jusqu'à des modèles hydrodynamiques macroscopiques, pour comprendre la dynamique multi-échelles d'un systèmes biologique. L'élaboration d'estimateurs en temps réel et de lois de commande à l'échelle macroscopique réclame en effet des modèles simples mais fidèles. Le projet rassemble des spécialistes de modèles individus-centrés et de leur réduction (Cemagref LISC), d'analyse mathématique de modèles écosystèmiques (INRIA-INRA MERE), de techniques de modélisation multi-échelles (LPTMC), d'ingénierie du traitement des eaux et de mesures de biodiversité par empreintes moléculaires (INRA LBE) et d'imagerie des structures microscopiques des biofilms (Cemagref HBAN). Mots clefs: écologie microbienne, biofilm, biodiversité, traitement des eaux, écologie numérique, réduction de modèles.