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Transport hydrodynamique et dispersion des suspensions bactériennes : de l’échelle micro-hydrodynamique aux milieux poreux – BacFlow

Suspensions bacteriennes un exemple vivant de fluide actif

Transport hydrodynamique et dispersion des suspensions bactériennes du point de vue micro-hydrodynamique aus phénomènes de transport dans le milieux poreux

Comprendre l'hydrodynamique des fluides bactériens et les processus de transport dans les milieux confinés

Longtemps les bactéries ont été considérées comme des particules colloïdales passives supposées n’avoir aucune influence sur les écoulements fluides hormis une perte visqueuse croissante aux fortes concentrations. Il est maintenant prouvé que la nage des micro-organismes dans un fluide ainsi que les interactions entre les individus, à l’origine de mouvements collectifs, jouent un rôle essentiel sur les propriétés macroscopiques de transport des bactériennes. <br /> <br />Notre consortium repose sur trois équipes complémentaires et reconnues dans leur domaine; une équipe spécialiste de l'hydrodynamique et des fluides complexes, une seconde maîtrisant la biologie des bactéries et les réponses chimiotactiques, et une troisième experte des problèmes de transport et de dispersion hydrodynamique dans les milieux poreux. L'ambition est : <br />(i) de créer une dynamique scientifique nouvelle autour des problèmes du transport hydrodynamique des fluides bactériens en s'attaquant à l'étude de leur comportement en milieux poreux. Une telle thématique s'inclus dans le champ de la «matière active», <br />(ii) de développer des outils spécialement dédiés à la manipulation et à la caractérisation de tels fluides et d'évaluer leur valorisation dans des perspectives d’application.

Notons que dans le cadre de ce projet, des techniques spécifiques -certaines originales dans ce contexte- seront développées. Elles concernent la manipulation des bactéries (aérotactique, magnétique, acoustique), la caractérisation de l’activité (suivi lagrangien des trajectoires ou bien rhéologie).

L'approche alliant physique-hydrodynamique-biologie que nous proposons permettra d'avoir un regard nouveau et inédit sur des problèmes connus de longue date. Nous pensons par exemple à la bio-contamination qui pour être mieux comprise, nécessite une approche nouvelle dans laquelle la motilité des micro-organismes serait prise en compte explicitement.

- Système de suivi automatique 3D d'une bactérie nageant dans un écoulement

- Premières mesures des distributions des temps de persistances organisationnelles de nage d'une souche wild type qui montre une distribution large au lieu d'un distribution exponentielle comme on le croit généralement

- Mesures de la dispersion de bactéries actives dans un milieu poreux modèle qui montre un effet de filtration seulement du à l'activité.

Nous avons mis au point le premier système de suivi automatique 3D où le corps des bactéries et les configurations des flagelles peuvent être suivis en direct dans un écoulement.

2 articles publiés 2 preprints

Longtemps les bactéries ont été considérées comme des particules colloïdales passives supposées n’avoir aucune influence sur les écoulements fluides hormis une perte visqueuse croissante aux fortes concentrations. Il est maintenant prouvé que la nage des micro-organismes dans un fluide ainsi que les interactions entre les individus, à l’origine de mouvements collectifs, jouent un rôle essentiel sur les propriétés macroscopiques de transport des bactériennes. L'ambition de ce projet est donc :
(i) de créer une dynamique scientifique nouvelle autour des problèmes du transport hydrodynamique des fluides bactériens et, en s'attaquant à l'étude de leur comportement en milieux poreux, de déterminer leurs équations de transport à une échelle macroscopique. Une telle thématique s'inclue dans le champ de la «matière active»,
(ii) de développer des outils spécialement dédiés à la manipulation et à la caractérisation de tels fluides et d'évaluer leur valorisation dans des perspectives d’application.

Notre consortium est constitué de trois équipes reconnues dans leur domaine et aux compétences complémentaires; la première équipe est spécialiste de l'hydrodynamique et des fluides complexes, la seconde maîtrise la biophysique des bactéries et les comportements chimiotactiques, et la troisième est experte dans les problèmes de transport et de dispersion hydrodynamique dans les milieux poreux.
Un phénomène clé que nous souhaitons étudier explicitement est la réponse d'une population de bactéries à un écoulement. Cela implique de comprendre l’influence de l’hydrodynamique sur les propriétés de nage – incluant les phénomènes de rhéotactisme, les changements d’orientation chimiotactiques et des couplages encore non compris entre la géométrie d’une bactérie et le cisaillement hydrodynamique. En identifiant ces phénomènes à des échelles microscopiques par des techniques de visualisation directe de la nage des bactéries, nous souhaitons déterminer le poids des différentes contributions impliquées dans le transport et la rhéologie des fluides actifs. Aux concentrations plus élevées en bactéries, nous allons mettre en évidence et quantifier l’impact des comportements collectifs sous cisaillement ainsi que leur influence sur les relations constitutives.

Diverses géométries seront considérées chacune choisies pour étudier un phénomène particulier: des cellules de Hele-Shaw pour comprendre les échanges fluide/surface, des capillaires ou microcanaux pour analyser l'influence du rhéotactisme sur la répartition des bactéries ou sur la caractéristique de l'écoulement. Pour finir, des milieux 2D désordonnés puis des colonnes poreuses seront considérées afin d'obtenir un jeu de données expérimentales permettant d'élaborer une théorie complète du transport bactérien.

Nous avons à notre disposition plusieurs modèles bactériens comme des souches de E. coli sauvages ou mutantes ou bien des souches magnétotactiques dont les caractéristiques de motilité sont sensibles l’action d’un champ extérieur comme le champ magnétique et aux gradients d’oxygène (aérotactisme).

Notons que dans le cadre de ce projet, des techniques spécifiques – certaines sont originales dans ce contexte – seront développées. Elles concernent la manipulation des bactéries (microcanaux dans lesquels les gradients d’oxygène sont finement contrôlés, champs magnétiques, pièges acoustiques) ou la caractérisation de leur activité (suivi lagrangien des trajectoires ou bien rhéologie).

L'approche que nous proposons allie la physique, l’hydrodynamique et la biologie et devrait permettre d'avoir un regard nouveau et inédit sur des problèmes connus de longue date sur la dispersion hydrodynamique. Nous pensons que des problématiques appliquées, telles que, par exemple, la bio-contamination, pourraient être mieux appréhendées car elles nécessitent une approche nouvelle dans laquelle la motilité des micro-organismes serait prise en compte explicitement.


Coordinateur du projet

Monsieur ERIC CLEMENT (Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

FAST Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques
LPS Laboratoire de Physique des Solides
PMMH Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes

Aide de l'ANR 512 968 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2016 - 48 Mois

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