Formation du biofilm

Les différentes études montrent que les biofilms se forment de la même manière quel que soit l'environnement qu'ils colonisent (John et al., 2006 ; Costerton et al., 1987). La formation du biofilm est composée de cinq étapes (Steven et al., 2000 ; John et al., 2006 ; Characklis et al., 1990 ; Lappin-Scott et Costerton, 1995) qui sont les suivantes (Figure I.8):

1. Le conditionnement d‘un film de nutriments sur la surface.

2. Le positionnement des micro-organismes à la proximité de la surface.

3. L‘adhésion réversible et irréversible des microorganismes sur la surface conditionnée. 4. La croissance, la colonisation et la maturation sur la surface.

5. La migration et le déplacement des agrégats.

Conditionnement Migration Flux Adhésion réversible/irréversible Colonisation Formation d‘EPS, développement Conditionnement Migration Flux Adhésion réversible/irréversible Colonisation Formation d‘EPS, développement

I.7.1. Conditionnement du film sur la surface

Toute surface immergée dans un milieu liquide se modifie spontanément grâce à des molécules qui existent dans son environnement et qui couvrent in fine la surface par un film de matières organiques et non organiques (Dunne et al., 2002). Le phénomène est rapide (15 min) mais il faut plus de temps pour atteindre l‘équilibre total avec l‘environnement (Bryers, 1987 ; Characklis, 1990). Avant qu‘une surface ne soit exposée dans un milieu liquide, elle est chargée soit négativement ou positivement. Après l‘exposition au milieu, la surface acquiert des molécules de charges différentes. Elle adsorbe également des molécules de faible poids moléculaire, des molécules hydrophobes, des polysaccharides complexes, des glycoprotéines, des lipides, des composés humiques (Rittle et al., 1990; Chamberlain, 1992).

I.7.2. Le positionnement des micro-organismes à proximité de la surface

Dans les milieux aquatiques, les écoulements sont qualifiés de nul, laminaire ou turbulent et l‘écoulement nul (Munson et al., 1990). Un flux laminaire est un écoulement parallèle avec peu ou pas de mélange latéral avec le flux le plus rapide au centre (Figure I.9 a) (Lappin et al., 1993). L‘écoulement turbulent est un flux aléatoire et désordonné qui permet aux bactéries et des nutriments d‘être mélangés et transportés plus près de la surface que dans un flux laminaire (Figure I.9 b).

Surface^Biofilm Flux Biofilm Surface Flux Vitesse = max Vitesse = 0 a b Surface^Biofilm Flux Surface^Biofilm Flux Biofilm Surface Flux Vitesse = max Vitesse = 0 a b

Parce que ce type de flux est complexe et difficile à prévoir, la plupart des recherches dans le domaine de l'adhérence et les mécanismes de transport a été réalisées dans un flux laminaire. A partir d‘un flux liminaire, le mouvement du fluide à proximité du centre du courant est plus rapide que près de la surface à cause de la traînée causée par la viscosité. Le système d'écoulement près de la surface commence à former une couche frontière dans laquelle les forces de viscosité sont plus importantes que les forces de l'accélération du courant. Le fluide en contact avec la surface a une vitesse nulle. De ce fait, lorsque la couche à proximité de la surface devient turbulente, la circulation dans la couche frontière juste près de la surface ne l‘est pas. Par conséquent, dans les trois cas d‘écoulement, la couche mince frontière à côté de la surface solide a une turbulence négligeable (Brading et al., 1995). S‘il y a un courant, cela contribue à propulser les bactéries à une courte distance de la surface, leur permettant une plus grande chance de l'adhérence. Si les microorganismes se déplacent plus rapidement que le fluide dans le milieu, une force supplémentaire dirige les microorganismes vers la surface (Characklis et al., 1981). Les microorganismes s‘approchent spontanément des surfaces grâce à différents appendices tels que flagelles, cils (Gavin et al., 2003) et pilis (McBride, 2001). Le mouvement du courant, le mouvement brownien et les gradients thermiques contribuent également à transporter les cellules microbiennes jusqu‘à la surface conditionnée.

I.7.3. Adhésion réversible et irréversible

Une fois que les microorganismes sont installés, le processus d'adhésion microbienne aux surfaces est conditionné par un certain nombre de facteurs, y compris les espèces de bactéries, la composition de la surface des cellules, la nature des surfaces, la disponibilité des éléments nutritifs, les conditions hydrodynamiques, la communication Quorum Sensing (Davey et al., 2000 ; Costerton et al., 1995; Kumar et Anand, 1998; Stoodley et al., 2002; Shirtliff et al., 2002). Il y a plusieurs hypothèses proposées pour décrire le mécanisme d‘adhésion et qui ont le même axe d‘interprétation :

Zobell montre que l'adhésion est composée de deux étapes alternatives: l'adhésion réversible et l'adhésion irréversible. La première est considérée comme un attachement faible des cellules microbiennes à la surface, le lien surface-cellule pouvant facilement être brisé par une faible force (Rittman, 1989). L‘adhésion irréversible est supportée par les exopolymères qui établissent un lien surface-cellule permanent. Ces liens nécessitent une action mécanique ou chimique pour être brisés (Zobell, 1943).

La théorie DLVO (de Derjaguin et Landau, 1941 ; Verwey et Overbeek, 1948) exprime l‘adhésion comme la résultante des forces qui égalent les forces électrostatiques et de Van

der Waals sur les surfaces (van Loosdrecht et al., 1987). Selon cette théorie, l'attraction de particules peut se faire lorsque de petites distances de moins de 1 nm (minimum primaire) séparent les particules d‘une surface ou lorsqu‘une distance de 5 à 10 nm (minimum secondaire) sépare la particule de la surface (Bowen et Epstein1979 ; Characklis et al., 1990). Les flagelles et les pili sont nécessaires pour l‘adhésion (Dalton et March, 1998 ; Santos et al. 1991). A ce stade, les microorganismes peuvent commencer leur activité comme leurs homologues planctoniques et sont prêts à passer à l‘étape suivante pour la croissance et la multiplication.

I.7.4. Croissance et développement du biofilm

C‘est l‘étape clé de la formation du biofilm. Une fois que les cellules microbiennes sont fixées irréversiblement sur la surface, elles commencent à croître et à se multiplier. Ces activités biologiques sont fonction de la carence ou l‘abondance des facteurs essentiels tels que l‘eau, la teneur en oxygène et de paramètres physico-chimiques comme la température, le pH, la lumière etc. Le nombre de cellules microbiennes augmente et donc la distance entre deux cellules diminue. Cela provoque la sécrétion d‘exopolymères qui contribuent à la forte adhésion des cellules les unes aux autres d‘un côté et de l‘ensemble à la surface d‘un autre côté. Les microorganismes peuvent échanger des métabolites avec leurs voisins par des relations physiologiques (Blenkinsopp et al., 1991). Les organismes supérieurs tels que les protozoaires et les métazoaires s‘installent également dans le biofilm.

Il a été estimé que le biofilm mature ne contient que 10% ou moins de son poids sec sous forme de cellules (Hamilton et al., 1985).En général, lorsque le biofilm atteint une certaine épaisseur, les conditions à sa base deviennent anaérobies. Cela indique que le biofilm est proche d‘un état de maturité, avec une grande diversité d‘espèces (Hamilton, 1987).

I.7.5. Émigration et déplacement

Grâce à l‘abondance des matières nutritives dans l‘environnement, les bactéries se multiplient, augmentant le nombre de microorganismes et la quantité d‘exopolymères. En conséquence le biofilm devient de plus en plus épais. Les petits agrégats du biofilm commencent à se détacher de la surface superficielle, s‘étaler pour remplir les vides, migrer et se déplacer sous l‘influence du courant et en conséquence le biofilm s‘agrandit. Ces agrégats ainsi que les microorganismes libres peuvent s‘éloigner de la surface en étant entraînés par le courant liquide. Ils retombent sur la surface un peu plus loin et

recommencent de nouvelles colonies et en conséquence un nouveau biofilm comme le montre la Figure I. 10.

Figure I. 10 Immigration et déplacement du biofilm Réf [1].