Transport de bactéries actives : des processus à l’échelle microscopique à la dispersion hydrodynamique

Transport of active bacteria : from micro-scale processes to macroscopic hydrodynamic dispersion

• Auteur / Autrice : Gaspard Junot
• Direction : Éric Clément, Harold Auradou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/11/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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 : Axel Buguin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giovanni Volpe, Tanguy Le Borgne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Holger Stark, Salima Rafaï

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Dynamique des fluides

Bactéries -- Motilité

Escherichia coli

Mots clés libres

Bactérie

Hydrodynamique

Matière active

Trajectoires

Transport

Dispersion

Bacteria

Hydrodynamics

Active substance

Trajectories

Transport

Dispersion

Résumé

Dans cette thèse, je m’intéresse aux propriétés de transport de la bactérie Escherichia. Coli sous écoulement dans des micro-canaux. Tout d’abord, le dispositif de tracking lagrangien 3D est présenté. Cet appareil permet de suivre des bactéries nageant dans un espace à 3 dimensions et de reconstruire leurs trajectoires. Dans une première partie, grâce à une approche aux temps longs, le processus de « run and tumble » pour des bactéries nageant dans un fluide aux repos loin des surfaces est revisité. J’étudie ensuite le comportement des bactéries aux surfaces, via leurs temps de résidences, ainsi que les échanges avec les régions loin des parois. Dans une deuxième partie, les bactéries sont mises en écoulement et leurs différents comportements sont mis en évidence. Aux surfaces, plusieurs régimes rhéotactiques sont observés, dont un nouveau régime où l’orientation de la bactérie oscille. Loin des parois, les trajectoires des bactéries sont comparées à un modèle de Bretherton-Jeffery actif et de nouvelles caractéristiques, en accord avec le modèle, sont observées. Dans un dernier chapitre, je développe une méthode capable d’extraire des paramètres de mes trajectoires expérimentales. Pour conclure, je discute des conséquences des précédents résultats dans le cadre de la dispersion hydrodynamiques.

In this thesis, I investigate the transport properties of Escherichia. Coli bacteria in a flow. First I introduce the Lagrangian 3D tracker that I used and improved. This apparatus allows to follow bacteria in 3 dimensions over long periods of time and large spaces in a quiescent fluid or under flow and is the suitable tool to study microscopic properties of bacteria. Then I focus on the motility of bacteria in the bulk of quiescent fluids. Especially, I focus on the "run and tumble" process and bridge the gap between the short-time and long-time approach. I then study the long time behavior of bacteria at surfaces as well as the exchange with the bulk. The flow is then turned on and the behavior of bacteria at surfaces, submitted to different shear, is studied. To have a general picture of bacterial transport, all the effects due to surfaces, shear and bacteria activity and shape are considered. I also focus on bacterial trajectory in the bulk under flow. I find new features and compare my experimental result to an active Bretherton-Jeffery model. In a last chapter, thanks to a theoretical framework, I build a method able to extract parameters from my experimental data. To conclude, I discuss the implication of my work in the framework of bacterial transport and dispersion.