Dynamique de suspensions bactériennes, de l'aérotaxie à la formation de clusters

Fortes de leur très grand nombre et d’une immense diversité dans la nature, les bactéries sont une source inépuisable de connaissance sur la vie microscopique qui se déroule tout autour de nous. Les mécaniciens des fluides se sont particulièrement intéressés à l’étude de l’hydrodynamique bactérienne, en s’appuyant sur les progrès récents de la microscopie et l’avènement de la microfluidique. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans cette perspective. Nous avons étudié la dynamique de deux phénomènes induits par la motilité de bactéries du sol, Sinorhizobium meliloti et Burkholderia contaminans. Ces bactéries exhibent une nage en "run-reverse" qui se distingue de celle de la bactérie modèle Escherichia coli en "run and tumble".Dans un premier temps, grâce un dispositif expérimental novateur, nous avons pu étudier de façon quantitative la dynamique de l'aérotaxie de ces bactéries avec des mesures quasi-simultanées de trajectoires bactériennes et de concentration locale en oxygène. Cela nous a permis de déterminer la dépendance du coefficient aérotactique en la concentration en oxygène c de deux manières différentes : macroscopiquement à l’échelle de la population bactérienne en utilisant les profils spatiaux de concentrations et de vitesse, et microscopiquement à l’échelle de la bactérie en caractérisant la modulation du temps de run dans le gradient d’oxygène. Nos expériences mettent en évidence une variation du coefficient aérotactique en 1/c² qui vient démentir des résultats récents de la littérature.Dans un second temps, intéressés par le transport de billes microscopiques par motilité bactérienne, nous avons étudié le comportement de billes en polystyrène de diamètre compris entre 2 et 40 microns lorsqu’elles sont plongées dans une suspension concentrée de B. contaminans. En plus d’avoir retrouvé un mouvement diffusif, caractérisé par un coefficient de diffusion de un à deux ordres de grandeur supérieur à la diffusion thermique, nous avons mis en évidence une intéressante dynamique d'agrégation induite par la motilité de la suspension. Cette dynamique se caractérise par la formation d'amas denses, s'échangeant des billes en permanence, dont la taille augmente lentement en t1/3. Nous avons adapté un modèle d’agrégation qui montre un accord remarquable avec nos mesures expérimentales. En complément de ces considérations macroscopiques, nous avons étudié les interactions entre deux billes à plus petite échelle pour essayer de déterminer quelle physique contribue le plus à cette dynamique de formations de clusters, un mécanisme de déplétion ou les interactions hydrodynamiques générées par la nage de type pusher des bactéries.Les travaux de cette thèse ouvrent également de nouvelles pistes d’études très intéressantes. Par exemple, l’importance de l’aérotaxie en compétition ou en complément de la chimiotaxie lors de l’interaction plantes-bactéries de S. meliloti, ou encore le transport dirigé de billes micrométriques dans une suspension bactérienne soumise à un gradient d’oxygène.