DLVO en microbiologie critiques et limites

Plusieurs études ont montré des écarts entre l’adhésion bactérienne prédite par la théorie XDLVO et les données expérimentales (Dong et al. 2002; Li et Logan 2004). La principale limite de la théorie XDLVO est que les particules en interactions sont considérées solides, parfaitement sphériques ou planes et qu’elles n’évoluent pas ou cours du temps. Les bactéries ne sont pas des particules colloïdales inertes mais plutôt un « système colloïdal vivant ». Les caractéristiques de leurs surfaces cellulaires peuvent changer en fonction de modifications des conditions environnementales et ce point n’est habituellement pas pris en compte. Par exemple l’augmentation du flux de substrat qui détermine la croissance peut modifier l’hydrophobicité de la surface cellulaire (van Loosdrecht et al. 1987). De nombreux facteurs physiques (rugosités de la surface, problèmes d’hétérogénéité…) et biologiques (appendices cellulaires, hétérogénéité de la population…) peuvent conduire à des écarts entre la théorie et la réalité. Il est également important de garder à l’esprit que les interactions relatives à la théorie XDLVO se font à l’échelle du nanomètre alors qu’une cellule bactérienne mesure typiquement de l’ordre du micromètre.

Facteurs physiques affectant la théorie DLVO 

Récemment plusieurs auteurs ont constaté qu’ignorer les rugosités de surface nanométrique peut conduire à des calculs XDLVO erronées (Bhattacharjee et al. 1998; Hoek et Agarwal 2006; Hoek et al. 2003). Les rugosités de surface à l’échelle du nanomètre existent quasi systématiquement mais sont ignorées pour des raisons pratiques. Or ce type de rugosité augmente la distance de séparation entre les surfaces en interactions et par conséquent réduit les énergies libres d’interactions (Hoek et Agarwal 2006). Bhattacharjee et al. ont montré que l’écart entre le profil d’énergie d’interaction DLVO pour des surfaces rugueuses, et le profil d’énergie d’interaction DLVO pour des DLVO en microbiologie critiques et limites Etat de l’Art 67 surfaces parfaitement lisse (théorique) est significatif (Bhattacharjee et al. 2000; Bhattacharjee et al. 1998). L’effet est d’autant plus important lorsque la distance de séparation entre les deux surfaces en interaction diminue (Bhattacharjee et al. 1998).

 Les facteurs chimiques affectant la théorie DLVO

 Dans un système idéal les cellules bactériennes tout comme une surface inorganique comme le quartz sont chargé négativement si bien qu’il y a répulsion entre les deux. Cependant des oxydes métalliques chargés positivement peuvent se trouver sur des surfaces inorganiques ce qui augmente considérablement la rétention des bactéries dans un milieu poreux (Johnson et al. 1996). La présence d’oxydes métalliques n’est pas révélée par des mesures d’électrophorèse et la charge globale du milieu poreux reste négative. Les aquifères sont également plus complexes que des systèmes idéalisés. Les sols peuvent contenir toutes sortes de métaux ainsi que de la matière organique ce qui rend la prédiction des interactions bactérie – phase solide encore plus difficile. Par exemple Johnson et Logan ont montré que la présence d’oxyde de fer sur le quartz augmente de 160% l’adhésion des bactéries dans une matrice de sable (par rapport à du quartz sans oxyde de fer). Lorsque ils ajoutent de la matière organique dans les colonnes ils constatent que l’effet des oxydes de fer est annulé (Johnson et Logan 1996). La matière organique élimine les charges positives des métaux dans les aquifères et diminue ainsi l’attachement des bactéries (Scholl et Harvey 1992). 

Facteurs biologiques affectant la théorie DLVO 

Des études précédentes ont montré que le type de cellule bactérienne (Gram plus ou moins), les lipopolysaccharides (LPS), les fimbriæ ou les exopolysaccharides (EPS) peuvent interférer avec les forces de la théorie DLVO.La ligne en pointillé indique la limite d’approche (L) pour les colloïdes A et B. Le colloïde hydrophile et lisse (A) ne peut pas établir un contact avec la surface hydrophile plane à cause des répulsions hydrophiles qui maintient une distance de séparation L d’environ 4 à 5nm. Il en est de même pour la particule B sauf que les appendices peuvent s’affranchir de la barrière de répulsion (échelle macroscopique) grâce à leurs faibles diamètres et ainsi établir des contacts spécifiques.Par exemple, selon Van Oss, le faible diamètre des appendices extracellulaires permet facilement de pénétrer le champ de répulsion et d’établir un contact avec la surface et ainsi ancrer la cellule comme illustré dans la figure 6 (van Oss 2003). Les structures extracellulaires sont responsables d’interactions stériques qui peuvent aussi bien contribuer à l’adhésion qu’à la prévenir (Rijnaarts et al. 1999). Bos et al. affirment que les interactions courtes AB sont non opérationnelles car des hétérogénéités structurales et chimiques de surface maintiennent une distance entre les deux surfaces en interactions supérieure au champ d’opération des interactions AB (Bos et Busscher 1999). Il a été postulé que les polymères de surface empêchent les cellules d’atteindre le « minimum primaire » car cela nécessite leur compression et leur repliement entre la bactérie et la surface (Rijnaarts et al. 1996). D’autres au contraire affirment que certains polymères favorisent l’adhésion bactérienne grâce à l’adsorption de ces polymères sur la surface solide (Jucker et al. 1998). Suivant la rigidité et l’affinité de ces structures extracellulaires pour la surface, l’interaction entre la bactérie et la surface peut être différente (Jucker et al. 1997). Dans le cas ou les polymères de surface contribuent à l’adhésion de la cellule il est probable que ces polymères ont une forte affinité pour la surface (Rijnaarts et al. 1996). Si le polymère a la capacité de se replier la distance de séparation cellule-surface diminue et augmente la capacité d’adhésion cellulaire (Rijnaarts et al. 1996). La figure 7 illustre les différents types d’interactions stériques et leurs effets sur l’adhésion bactérienne à une surface. Tong et al. (Tong et al. 2005) ont constaté que le transport de leur souche DA001 (Comamonas DA001) dans du sable était remarquable et que le taux de rétention était très faible malgré l’absence de barrière électrostatique (le potentiel ζ de cette souche varie entre -2mV et -0,5mV en fonction de la force ionique). Des mesures de forces d’interactions entre la souche DA001 et du nitrure de silicium (considéré par les auteurs comme un substitut raisonnable pour la sable) à l’aide d’un microscope à force atomique ont révélé (i) la présence de polymères de surface de 59,8nm d’épaisseur (ii) une faible affinité pour le nitrure de silicium. Les répulsions stériques dues aux polymères de surface sont considérées comme responsables pour la faible affinité de la bactérie pour le Etat de l’Art 70 nitrure de silicium. Les auteurs en concluent que les interactions stériques dues à la couche de polymères qui recouvrent la bactérie empêchent l’adhésion sur les grains de sables et favorise donc le transport de cette souche. L’ensemble de ces publications (non exhaustifs) indique clairement l’interférence des polymères de surface avec les interactions XDLVO. La difficulté est liée à la grande diversité des structures extracellulaires impliquées dans les processus d’adhésion bactérienne. Selon Bos et al. pour la validité de la théorie DLVO il est nécessaire de prendre en compte la très large panoplie de structures cellulaires de surface (Bos et al. 1999). L’influence de la production de polymères à la surface des cellules sur l’adhésion des bactéries en milieux poreux sera développée dans la partie facteurs biologiques (§1.4). 

La théorie DLVO remise en cause 

En 1998 D.Y. Kwok remet en cause la relation entre interactions LW et AB et les composantes de tensions de surface (Kwok 1999). Selon l’auteur l’approche proposée par Van Oss ne permet pas de prédire correctement les tensions de surface et les tensions inter faciales pour plusieurs systèmes liquide-solide et liquide-liquide. Kwok évoque trois idées communément admises qu’il considère comme fausses : (i) Les composantes de tensions de surface sont des propriétés de matériaux spécifiques et qui se manifestent par des forces intermoléculaires spécifiques. (ii) La connaissance des composantes de tension de surface permet une meilleure compréhension des interactions moléculaires. (iii) Les mesures d’angles de contact donne des informations sur les forces intermoléculaires. Pour un solide donné, l’angle de contact dépend uniquement de la tension de surface du liquide et pas directement des forces intermoléculaires. En remettant en cause la relation entre angle de contact et composantes + γ et − γ utilisé dans la théorie XDLVO (voir équation 11) l’article de Kwok met en doute la fiabilité de l’approche de Van Oss (Kwok 1999). Cependant de nombreux articles ont continué à utiliser la théorie XDLVO pour étudier l’adhésion bactérienne longtemps après l’article de Kwok publié en 1998.