On the impact of bacteria on spectral induced polarization measurements

Nous avons le plaisir de vous convier à la défense de thèse de Madame Tamara PILAWSKI. Celle-ci se déroulera le mercredi 18 décembre à 14h (dans l’amphithéâtre 02 de l’Institut de Mathématique, Bâtiment B37).

Cette thèse, réalisée sous la direction du Prof. Frédéric Nguyen, s'intitule "On the impact of bacteria on spectral induced polarization measurements".

Résumé

L’utilisation des biotechnologies dans les sols suscite un intérêt croissant. Ces technologies impliquent l'utilisation de micro-organismes et de leurs produits pour notamment améliorer les propriétés mécaniques des sols, contrôler la pollution et promouvoir la récupération de pétrole tertiaire. L'un des principaux défis est la surveillance in situ et en temps réel pendant le traitement, mais également à plus long terme afin de maintenir des conditions optimales dans l'espace et dans le temps. En raison de sa sensibilité aux changements biogéochimiques, la méthode de polarisation induite spectrale (SIP) est un bon candidat pour le monitoring non invasif de tels processus. Toutefois, même si des études antérieures ont montré des résultats encourageants, il est absolument nécessaire de mieux comprendre les effets des cellules bactériennes sur les mesures de polarisation induite spectrale.

Dans cette thèse, nous avons examiné en détail les connaissances actuelles concernant les propriétés électriques des bactéries et des biofilms en suspension aqueuse et dans des milieux poreux en termes de conductivité électrique complexe. En plus de procéder à une revue de la littérature consacrée à la polarisation induite spectrale, nous nous sommes également penchés sur d’autres domaines de recherches. Nous avons alors abordé des questions clés découlant de cette revue de la littérature par des expériences de laboratoire sur des suspensions bactériennes et sur des bactéries dans du sable: différences entre les bactéries à Gram positif et à Gram négatif ; comparaison dans des conditions similaires  des signatures de polarisation induite spectrale de différentes souches bactériennes ; présence de deux pics dans la gamme de fréquences généralement associée à la polarisation α ; influence de l’activité métabolique ; monitoring de la croissance bactérienne en temps réel dans des suspensions et dans du sable dépourvu de précipités métalliques et de phases non solubles ; et comparaison entre des cellules bactériennes présentes en solution poreuse et d’autres attachées à la matrice poreuse.

Trois expériences ont été réalisées en suspension aqueuse. La première expérience s’est concentrée sur différentes souches cultivées en fioles et resuspendues dans le même milieu. La deuxième expérience était similaire mais les cultures bactériennes ont été incubées dans des bioréacteurs. La troisième expérience a consisté à monitorer une croissance bactérienne en bioréacteur en temps réel. En général, les spectres de déphasage étaient différenciables du background à partir d’environ 10 Hz jusque 10 kHz. Toutefois, la limite inférieure de cet intervalle de fréquences était variable et dépendait de la souche bactérienne, de la concentration bactérienne et des conditions expérimentales. A 1 kHz, les valeurs de déphasage atteignaient tout au plus  quelques dixièmes de mrad. Nous avons montré que les déphasages mesurés dépendaient de plusieurs facteurs : la concentration bactérienne, les conditions expérimentales et probablement l’activité métabolique. Ces facteurs étant interdépendants, leur influence respective sur les données de polarisation induite spectrale est donc difficile à isoler.

Deux expériences ont été menées dans le sable : la première a été réalisée avec des suspensions bactériennes mélangées au sable ; la seconde a permis de monitorer une croissance bactérienne dans du sable en temps réel. De manière générale, les deux expériences conduites dans le sable ont démontré la grande sensibilité des mesures de déphasages aux variations de concentrations bactériennes dans le sable, de même qu’aux différences de comportement des cellules bactériennes. Les valeurs de déphasage mesurées dans le sable ont montré une augmentation maximale de 0.15 mrad par rapport au background.

Nous avons montré que la sensibilité de la  méthode de polarisation induite spectrale à la présence de cellules bactériennes était un réel atout. Néanmoins, il pourrait s’avérer difficile de distinguer les valeurs de déphasage imputables aux bactéries d’autres sources de polarisation, en particulier en présence de précipités métalliques ou de «biominéraux». De plus, la méthode de polarisation induite spectrale est sensible à un grand nombre de facteurs tels que les propriétés de surface du milieu poreux, les propriétés de l’espace poreux, la minéralogie et la chimie du fluide interstitiel. Par conséquent, les faibles variations des valeurs de déphasage observées avec les bactéries sont susceptibles de rester en dessous de la limite de détection dans des environnements naturels en conditions réelles. En ce qui concerne la modélisation mécanistique, nous avons souligné que développer des modèles par analogie avec des minéraux et des colloïdes avait des limites. Le développement de modèles mécanistiques devrait prendre en compte la plasticité dynamique des cellules bactériennes, comme l’activité métabolique, l’évolution au cours du temps de la morphologie, la formation de biofilm ou la lyse bactérienne.