Transport d’une suspension active de bactéries en milieu confiné

Transport of an active suspension of bacteria in confined environments

• Auteur / Autrice : Axel Klein
• Direction : Mathieu Jenny, Nicolas Louvet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Soutenance le 09/07/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Claire Gaiani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Jenny, Nicolas Louvet, Cécile Cottin-Bizonne, Hamid Kellay, Carine Douarche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Cottin-Bizonne, Hamid Kellay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Écoulement laminaire

Théorie du transport

Microorganismes -- Dispersion

Suspensions (chimie)

Mots clés libres

Suspension active

Transport

Confinement

Microfluidique

Active suspensions

Transport

Confinement

Microfluidics

Résumé

Les propriétés de transport d'une suspension de bactéries motiles sous écoulement présentent un enjeu scientifique fondamental dans la compréhension de la colonisation de nouveaux milieux par ces microorganismes. De nombreuses études font part du comportement singulier de ces suspensions actives en écoulement. L'accumulation aux parois, les comportements collectifs, la modification du comportement rhéologique sont d'autant de phénomènes qui révèlent la richesse de ces systèmes. Malgré tout, de nombreuses questions subsistent. Dans ce travail de thèse, nous présentons l'effet d'un écoulement sur le transport d'une suspension de bactéries Escherichia coli motiles en milieu confiné. Des expériences ont été menées en cellule de Hele-Shaw pour comprendre l'influence du Péclet hydrodynamique et du Péclet de confinement sur le transport de la suspension en écoulement de Poiseuille. Les propriétés de nage d'E. coli ont été caractérisées dans un fluide à l'équilibre par deux techniques optiques de mesures non-intrusives : le tracking et la microscopie dynamique différentielle. En écoulement, ces propriétés se voient être fortement modifiées et dépendantes du cisaillement. L'effet de rhéotaxie a été mis en évidence et favorise la migration bactérienne à contre-courant aux parois ; migration retrouvée également loin des surfaces. Nous montrons également que le confinement de la suspension influe sur l'épaisseur de la couche limite qui, couplé à l'intensité de l'écoulement, modifient la distribution en bactéries dans la cellule de Hele-Shaw.

The transport properties of a suspension of motile bacteria under flow are a fundamental scientific issue in order to understand the colonisation of new environments by microorganisms. Numerous studies report the singular behaviour of these active suspensions in flow. Accumulation at the walls, collective motion, modification of the rheological behaviour are all phenomena that reveal the richness of these systems. Nevertheless, many questions remain. In this thesis, we present the effect of a flow on the transport of a suspension of motile Escherichia coli bacteria in confined geometries. Experiments were carried out in a Hele-Shaw cell to understand the influence of flow and confinement Peclet numbers on the transport of the suspension in a Poiseuille flow. The swimming properties of E. coli were characterised in a fluid at rest using two non-intrusive optical techniques: tracking and differential dynamic microscopy. In flow, these properties are strongly dependent on shear. Rheotaxis effect has been pointed out at the vicinity of a surface and favours upstream swimming; upstream migration also found in the bulk. We also show that confinement of the suspension influences the thickness of the boundary layer and, with the intensity of the flow, modifie the distribution of bacteria through the Hele-Shaw cell.