Analyse et synthèse des principaux acquis

L’objectif de ce travail était d’étudier le transport de bactéries dans un milieu poreux. La finalité étant d’améliorer les connaissances qui permettent d’anticiper les risques de contamination microbiologiques liées au déplacement de bactéries dans le sol. Un point clé est donc d’identifier les facteurs physicochimiques et les caractéristiques cellulaires favorables au transport. Ceci permettant alors d’identifier des souches à risque. Pour atteindre ces objectifs nous avons cherché à caractériser et modéliser les phénomènes d’attachement et de détachement des cellules sur différents milieux poreux pendant leur transport.

Les facteurs régissant le transport bactérien en milieu poreux

Le phénomène d’adhésion est un processus cinétique dont la vitesse dépend des caractères physicochimiques de la surface des cellules et du milieu poreux traversé. Les expérimentations du second chapitre ont mis en évidence deux types de propriétés physicochimiques expliquant l’adhésion bactérienne : l’hydrophobicité et la charge électrique. Conforme aux prédictions de la théorie XDLVO, les souches présentant des surfaces cellulaires hydrophobes adhèrent le plus rapidement sur le sable. Les interactions hydrophobes entre le sable et ces souches sont attractives et par conséquent favorisent l’adhésion de ce type de cellules dans le minimum primaire. Mais la théorie XDLVO ne permet pas de faire des prédictions d’adhésion correctes pour les souches bactériennes avec une surface cellulaire hydrophile. Selon les calculs les répulsions hydrophiles devraient empêcher toute adhésion des cellules hydrophiles sur le sable. Contrairement à cette prédiction obtenue avec la théorie XDLVO les observations ont montré que les souches hydrophiles adhérent aux grains de sables. Ce résultat remet en doute l’utilisation de la théorie XDLVO pour prédire l’adhésion de cellules à un matériau pendant le transport. Cette remise en cause est d’autant plus important que beaucoup de cellules bactériennes ont une surface hydrophile. Il est probable que les répulsions hydrophiles évoquées ici (XDLVO) sont insuffisantes pour empêcher l’adhésion bactérienne. La déposition des cellules hydrophiles est donc due à des mécanismes autres que ceux pris en compte par la théorie XDLVO.

La grande majorité de cellules bactériennes présentent une charge globale de surface négative tout comme le sable ou d’autres sédiments. Les interactions électrostatiques entre bactéries et le sable sont donc répulsives. Il faut cependant distinguer deux types de conditions environnementales pour lesquels l’effet des interactions électrostatiques est très différent. Les conditions favorables à l’adhésion sont causées par une force ionique élevée qui réduit fortement la portée des répulsions électrostatiques. Les conditions non favorables à l’adhésion sont causées par une force ionique faible ce qui augmente la distance d’influence des répulsions électrostatiques et par conséquent empêche les cellules d’aller au contact des grains du milieu poreux. C’est précisément dans ces conditions que les expérimentation du chapitre 2 ont révélé une corrélation significative (R² = 0.71) entre la charge négative des souches bactériennes testées et la constante de temps pour la déposition. Autrement dit, plus une bactérie est chargée négativement plus l’adhésion sera retardée voir largement inhibée. Ce résultat montre donc que la propriété d’adhésion d’une souche bactérienne dépend de son potentiel zêta. A noter que la littérature mentionne également l’effet du pH sur les interactions électrostatiques. Néanmoins nous n’avons pas considéré ce facteur dans la mesure où la majorité des sols sont tamponnés entre 6 et 8.

La troisième force qui intervient dans les phénomènes d’adhésion sont les interactions Lifshitz-van der Waals. Les interactions Lifshitz-van der Waals ont la caractéristique d’être généralement attractives mais d’intensité relativement faibles par rapport aux interactions Lewis acide base ou électrostatiques (lorsqu’elles sont présentent). L’effet des interactions Lifshitz-van der Waals est fortement conditionné par la longueur de Debye comme l’attestent les résultats du troisième chapitre. Dans les conditions non favorables à l’adhésion, l’action des interactions Lifshitz-van der Waals est annulée par la barrière électrostatique. En revanche lorsque la portée des répulsions électrostatiques est inférieure aux interactions Lifshitz-van der Waals (en conditions d’adhésion non favorable) il se forme une zone située à quelques nanomètres de la surface solide où l’énergie d’interaction est attractive. Cette zone d’énergie généralement très faible (quelques kT) est responsable de l’adhésion réversible dans le minimum secondaire. En effet les cellules bactériennes retenues par le minimum secondaire peuvent sortir de cette zone d’énergie à condition qu’une diminution de la force ionique soit suffisante pour augmenter la longueur de Debye et rendre les répulsions électrostatiques plus importantes que les interactions Lifshitz-van der Waals. Cet aspect réversible de l’adhésion dans le minimum secondaire a été démontré (chapitre 3) lors des expériences de transport dans le sable et les billes de verre avec E. coli PHL1314. Le phénomène peut aussi être observé au microscope confocal. Le résultat de ces expériences a révélé un autre aspect intéressant du minimum secondaire réversible. Pour chaque diminution de la force ionique une fraction de cellules retenues dans le minimum secondaire est décrochée. Cela signifie que chaque fraction de cellules décrochée était retenue par un minimum secondaire d’intensité énergétique différente. Ce résultat s’explique vraisemblablement par une hétérogénéité des caractères physicochimiques de surface pour des cellules pourtant issues d’une même culture. Une hétérogénéité de la surface des grains constituant le milieu poreux peut également expliquer ces observations.