Chapitre IV Etude paramétrique du transfert de bactéries déformables au temps initial
A.2. Résultats expérimentaux
Dans cette partie, nous allons étudier les variations du transfert bactérien en fonction des caractéristiques de la souche filtrée (cf. Chapitre III), de la concentration bactérienne de l'alimentation, de la pression transmembranaire appliquée et de la présence d'un antibiotique dans la suspension.
A.2.1. Effet de la taille des pores
Lorsque les expériences de filtration sont réalisées sur des membranes ispores de 0,22 µm dans les conditions définies pour ce chapitre, les fuites observées sont trop faible pour révéler un effet des paramètres étudiés. Alors tous les résultats expérimentaux présentés dans ce chapitre ont été obtenus sur des membranes isopores de 0,4 µm de diamètre de pore.
A.2.2. Etude de l’effet de la souche bactérienne
Les résultats obtenus pour les trois souches étudiées sont présentés Figure IV.2 et permettent de mettre en évidence deux types de comportements spécifiques à la forme ou au caractère Gram des cellules bactériennes. Même si notre plan de manipulation ne nous permet pas de distinguer lequel de ces deux paramètres joue un rôle prépondérant dans le transfert des cellules biologiques (les deux bactéries à Gram négatif ont la forme de bacille alors que la souche à Gram positif sélectionnée a la forme de coque), grâce aux travaux disponibles dans la littérature (cf. Chapitre I), nous savons que la structure de la paroi cellulaire (épaisseur de la couche de peptidoglycane et élasticité de la paroi cellulaire) gouverne l’aptitude au transfert des bactéries, et non la forme de la cellule bactérienne. Ce résultat est confirmé à nouveau par nos travaux puisque la souche S. aureus présente la meilleure rétention par la membrane (ou le transfert le plus faible) alors qu’elle possède un diamètre proche voire inférieur à la plus petite dimension des deux autres germes testés. Ainsi, les deux souches à Gram négatif transfèrent toujours de manière plus importante que la souche à Gram positif.
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Figure IV.2 : Evolution de la concentration bactérienne dans le perméat (Cp) en fonction de la pression transmembranaire appliquée (PTM) lors de filtration de suspensions bactériennes de concentration croissante (voisine de 104, 106 et 107 UFC/mL) sur membranes neuves. Les résultats pour les trois souches sont présentés pour des suspensions non traitées ou traitées par ajout de l’antibiotique sélectionné à la concentration CMI/2.
123 Ensuite, lorsque l’on compare deux souches déformables, c’est-à-dire les deux germes à Gram négatif, nos résultats démontrent que les dimensions des cellules bactériennes jouent incontestablement un rôle sur le transfert à travers la membrane. En effet, les cellules de P. aeruginosa possèdent la plus petite dimension pour une élasticité de la paroi cellulaire proche de celle de la souche E. coli. C’est donc la souche aux dimensions cellulaires les plus petites, ici P. aeruginosa, qui présente globalement le transfert le plus important même si les écarts restent faibles.
A.2.3. Etude de l’effet de la concentration bactérienne de l’alimentation
Afin d’évaluer l’impact de la concentration en bactéries d’une suspension sur le transfert des cellules, les essais sur membranes isopores neuves ont été réalisés à trois concentrations : 104, 106 et 107 UFC/mL.
Les résultats présentés sur la Figure IV.2 démontrent que, pour un volume filtré faible, l’augmentation de la concentration de la suspension entraine une augmentation importante du nombre de cellules qui transfèrent et cela pour les trois souches étudiées. Ce résultat est bien évidemment lié au fait que la probabilité de rencontre entre une cellule et un pore membranaire augmente avec la concentration de la suspension bactérienne.
A la concentration d’étude la plus faible (104 UFC/mL), les deux souches à Gram négatif sont retrouvées dans le perméat après la filtration d’un volume de 50 mL de suspension. A l’inverse, le germe à Gram positif, S. aureus, est absent du fluide filtré (sauf si la suspension est mise en contact avec l’Amoxicilline - cf. paragraphe A.2.5. ): les points expérimentaux correspondant ne sont pas portés sur le graphique du fait de l'échelle logarithmique. Cette différence de rétention entre les souches à Gram négatif et positif pour une faible concentration de la suspension d’alimentation correspond parfaitement aux observations et aux conclusions de travaux antérieurs (Lebleu et al., 2009).
Lorsque la concentration bactérienne de la suspension de S. aureus est supérieure ou égale à 106 UFC/mL, une contamination non négligeable en cellules viables est observée dans le perméat. Celle-ci reste, cependant, toujours plus faible que lors de la filtration des deux souches à Gram négatif (E. coli et P. aeruginosa).
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A.2.4. Etude de l’effet de la pression transmembranaire
La pression transmembranaire appliquée aux procédés de filtration est l’un des paramètres opératoires qui gouvernent la productivité et la sélectivité du procédé. La pression transmembranaire apporte l’énergie mécanique nécessaire au transfert du fluide à travers la membrane et participe donc à fournir l’énergie à la cellule bactérienne présente à l’entrée d’un pore pour permettre son transfert.
Nous avons donc cherché à déterminer l’évolution de la rétention en fonction de la pression transmembranaire sur une gamme qui couvre celle en microfiltration industrielle. Comme présenté sur la Figure IV.2, pour les deux souches à Gram négatif, l’augmentation de la pression transmembranaire entraine une importante augmentation du transfert entre les deux pressions testées de 0,5 et 1 bar. Au-delà de 1 bar, l’impact de la pression transmembranaire semble s’atténuer progressivement, et le transfert de cellules se stabilise autour d’une valeur maximale qui est fonction de la concentration dans la suspension d’alimentation.
Concernant la souche S. aureus, les variations de pression n’ont pas le même effet. Dans la gamme étudiée, le transfert de la souche à Gram positif décroit légèrement lorsque la pression transmembranaire appliquée est augmentée. Ce résultat qui est en opposition avec les résultats obtenus pour les bacilles à Gram négatif sera discuté dans le paragraphe A.3.
A.2.5. Etude de l’effet d’un antibiotique
Nous avons démontré l’impact de la présence d’un antibiotique en solution au contact des bactéries sur les propriétés nanomécaniques des parois cellulaires grâce aux expériences menées par AFM sur cellules vivantes, travaux décrits dans le Chapitre III.
Dans le cadre de notre étude, l’exposition à un antibiotique pendant une durée courte (τ : 90 min) et à une concentration faible (CMI/2) entraine pour les trois souches étudiées une diminution du module de Young, module qui correspond à l’élasticité de la paroi membranaire des cellules vivantes. Cette diminution de l’élasticité des parois cellulaires se traduit expérimentalement par l’augmentation du transfert de cellules à travers la membrane de filtration comme le démontrent les différents résultats présentés Figure IV.2.
125 Pour les trois souches bactériennes, en présence d’antibiotique, les transferts de cellules viables à travers la membrane sont globalement amplifiés par rapport à la condition témoin. Cette différence de rétention est toujours plus importante à la pression transmembranaire la plus faible (0,5 bar). Avec l’augmentation de la pression, l'effet sur le transfert de l’exposition à l’antibiotique est diminué pour les deux souches à Gram négatif : malgré le fait que la paroi des souches de E. coli et P. aeruginosa soit exposée respectivement à l’Amoxicilline et la Ticarcilline, aucune amplification significative du transfert et donc de la concentration bactérienne dans le perméat n'est observée à la plus forte pression testée (1,5 bar). Le comportement des suspensions de S. aureus au contact de l’Amoxicilline est différent. Le transfert est nettement accru puisque la souche à Gram positif passe d’un caractère rigide à déformable ce qui a pour conséquence de diminuer significativement la rétention de ce type de cellules. A la concentration étudiée la plus faible (104 UFC/mL), alors que la suspension de S. aureus était totalement retenue sans exposition à l’antibiotique, le traitement par l’amoxicilline se traduit par un passage de S. aureus à travers des pores membranaires de 0,4 µm. Aux concentrations supérieures et sur la gamme de pressions testée, la suspension de S. aureus modifiée présente un transfert du même ordre de grandeur que ceux obtenus pour les bactéries à Gram négatif pour des conditions expérimentales identiques. Enfin, la différence de transfert entre les conditions témoins et après exposition à l'antibiotique ne diminue pas avec l'augmentation de la pression transmembranaire comme observé pour les bactéries à Gram négatif.