Modélisation de films minces de fluides complexes et de colonies bactériennes

Thin-film modelling of complex fluids and bacterial colonies

• Auteur / Autrice : Sarah Christine Trinschek
• Direction : Chaouqi Misbah, Uwe Thiele, Karin John
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 28/03/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Westfälische Wilhelms-Universität (Münster, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Cornelia Denz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Bureau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Uwe Thiele, Mathis Plapp, Jan Vermant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Films liquides (physique)

Mots clés libres

Matière active

Effet Marangoni

Colonies bactériennes

Bacterial colony

Marangoni effect

Wetting

Résumé

Les bactéries se répandent aux interfaces en formant des colonies, qui peuvent être considérées comme des suspensions denses actives. L'objet de cette thèse est le développement et l'analyse de modèles simples pour élucider le rôle des phénomènes physico-chimiques et passifs - tels que l'osmose, la tension de surface et le mouillage - dans l'expansion des colonies bactériennes aux interfaces solide/air. Les modèles sont basés sur une description hydrodynamique des couches minces de suspensions liquides, qui est complété par des processus bioactifs.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'expansion osmotique des biofilms. Dans ce mécanisme, la bactérie sécrète une matrice polymérique qui agit comme un osmolyte et entraîne un afflux d'eau, riche en nutriments, du substrat humide vers le biofilm. Nous avons constaté que la mouillabilité du substrat est une des déterminantes principales de la vitesse d'expansion du biofilm. En-dessous d'une mouillabilité critique l'expansion s'interrompt, bien que la colonie soit biologiquement active. Cependant, une légère réduction de la tension de surface et une amélioration de la mouillabilité qui en résulte suffisent à induire un étalement continu. Les bactéries peuvent activement contrôler la tension de surface par la production de bio-surfactants.Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'expansion de colonies bactériennes aidée par des molécules biologiques tensioactives auto-produites. Dans ce mécanisme, des flux de Marangoni résultant d'une concentration non uniforme de molécules tensioactives aux bords de la colonie peuvent favoriser l'expansion coopérative et provoquer une instabilité de la forme axi-symétrique des colonies bactériennes. Notre modèle nous a permis de reproduire quatre modes de développement différentes, à savoir l'étalement arrêté et continu des colonies circulaires, l'étalement des colonies avec des bords légèrement modulées et la formation de doigts prononcés.Dans la dernière partie, nous avons fait un premier pas vers l'incorporation de la motilité actif des bactéries dans notre modèle et présentons donc un modèle phénoménologique pour un film mince active.

Bacteria colonise interfaces by the formation of dense aggregates. In this thesis, we develop and analyse simple models to clarify the role of passive physico-chemical forces and processes - such as osmosis, surface tension effects and wettability - in the spreading of bacterial colonies at solid-air interfaces. The models are based on a hydrodynamic description for thin films of liquid suspensions that is supplemented by bioactive processes.We first focus on the osmotic spreading mechanism of bacterial colonies that relies on the generation of osmotic pressure gradients. The bacteria secrete a polymeric matrix which acts as an osmolyte and triggers the influx of nutrient-rich water from the moist substrate into the colony. We find that wettability crucially affects the spreading dynamics. At low wettability, the lateral expansion of the colony is arrested, albeit the colony is biologically active. However, a small reduction of the surface tension and the resulting improvement of the wettability suffices to induce continuous spreading. This can, e.g., result from the production of bio-surfactants by the bacteria.Next, we study passive liquid films covered by insoluble surfactants before developing a model for the surfactant-driven spreading of bacterial colonies. In this spreading mechanism, Marangoni fluxes arising due to a non-uniform surfactant concentration at the edges of the colony drive cooperative spreading and may cause an instability of the circular colony shape. We find that variations in wettability and surfactant production suffice to reproduce four different types of colony growth, namely, arrested and continuous spreading of circular colonies, slightly modulated front lines and the formation of pronounced fingers.In the final part, we take a first step towards the incorporation of active collective bacterial motion in the employed thin-film framework and present a phenomenologically derived model for active polar films.