Suspension bactériennes actives : de la micro-hydrodynamique aux propriétés macroscopiques de transport dans les canaux microfluidiques

Active bacterial suspensions : from microhydrodynamics to transport properties in microfluidic channels

• Auteur / Autrice : Nuris Figueroa Morales
• Direction : Éric Clément, Anke Lindner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Viot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Cottin-Bizonne, Fernando Peruani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Plouraboué, Gerhard Gompper

Mots clés

Mots clés contrôlés

Escherichia coli

Contamination

Hydrodynamique

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Nage de bactéries

Suivi Lagrangien 3D

Contamination

Migration vers l'amont

Statistique du moteur

Swimming dynamics of Escherichia coli bacteria

3D Lagrangian tracking

Contamination

Résumé

Nous étudions la dynamique de nage de bactéries Escherichia coli dans différents environnements. Leur mouvement 3D est déterminé au moyen d'un système de suivi Lagrangien 3D automatisé pour suivre des objets fluorescents que nous avons développé. Les bactéries étudiées avec ce système présentent une dispersion du coefficient de diffusion rotationnel particulièrement large, ce qui contredit la vision communément admise de la dynamique "run-and-tumble" qui a été établie pour une bactérie qui nage. Ce résultat est interprété comme une conséquence de la distribution en loi de puissance des temps de "run" expérimentaux d'un flagelle individuel, qui jusqu'alors restait indépendant de la description cinématique. Dans des écoulements confinés, la migration vers l'amont d'E. coli sur les bords reste possible pour des taux de cisaillement bien plus grands que ceux de la surface plane. La vitesse des bactéries sur les bords n'est pas influencée par l'écoulement advectif. Le mouvement vers l'amont a lieu près des parois dans une "couche limite" dont la taille varie avec le taux de cisaillement imposé. La migration vers l'amont sous écoulement et persistance de direction se combinent lors du processus de contamination. Nous montrons que les bactéries peuvent contaminer des régions propres par nage vers l'amont dans des environnements confinés.Un modèle simple, qui prend en compte la statistique de rotation du moteur, décrit de manière satisfaisante les principales caractéristiques du processus de contamination, en faisant l'hypothèse d'une distribution en loi de puissance des temps de “run”. Le modèle échoue à reproduire la dynamique quanlitative lorsque l'on prend en compte la distribution classique de run-and-tumble. Nous en concluons que le transport macroscopique de bactéries est déterminé pour la statistique de rotation du moteur.

We present a study of the swimming dynamics of Escherichia coli bacteria in different physical conditions. Their 3D motion is assessed by means of a device for automated 3D Lagrangian tracking of fluorescent objects, that we developed for that purpose. Bacteria studied in that way display consistently large dispersion of the rotational diffusion coefficient, contradicting the standard vision of run-and-tumble dynamics established for an adapted bacterium. The result is interpreted as a consequence of the power law distribution of run times experimentally found for individual flagella, that up to now remained uncoupled with the motility description.We also study the bacterial swimming in polymeric suspensions, as well as in more concentrated active suspensions.In confined flows, upstream migration of E. coli at the edges remains possible at much larger flow rates compared to the motion at the flat surfaces. The bacteria speed at the edges is not influenced by the advective flow. Upstream motion takes place close to the edges in an “edge boundary layer” whose size varies with the applied flow rate. Upstream migration under flow and direction persistence combine during contamination processes. We show that bacteria can contaminate clean regions by upstream swimming in confined environments. A simple model considering the motor rotation statistics describes well the main features of the contamination process, assuming a power law distribution of run times. The model fails to reproduce the qualitative dynamics when the classical run-and-tumble distribution is determined by the motor rotation statistics.