Transport bactérien en milieu poreux : expérimentations et modélisation : migration de bactéries issues de boues de STEP

par Albert Jacobs

Thèse de doctorat en Hydrogéologie. Écologie microbienne

Sous la direction de François Lafolie.

Soutenue en 2007

à Avignon .


  • Résumé

    L’étude du transport bactérien en milieux poreux est un enjeu important pour la protection des nappes phréatiques contre des contaminations microbiologiques. La pratique d’épandage des effluents des stations d’épuration est une source de bactéries pathogènes dont le déplacement dans le sol constitue un risque pour la santé publique. Le transport d’une bactérie dans un milieu poreux résulte d’une compétition entre processus de déplacement, d’adhésion et de blocage. Des expériences avec une large gamme de bactéries aux propriétés de surface différentes (composantes de la tension de surface et charges) ont été réalisées pour essayer de relier ces propriétés à leur rétention en milieu poreux. Les résultats montrent que les cinétiques de rétention sont corrélées aux interactions électrostatiques mais qu’il ne semble pas y avoir de corrélation entre l’énergie libre totale d’interaction et la quantité de bactéries retenues. L’observation in situ par microscopie confocale du déplacement de cellules d’Escherichia coli a mis en évidence le coinçage des cellules bactériennes par des rugosités de surface et les zones de contact entre grains d’un milieu poreux. Ces résultats confirment l’existence de possibilités de rétention en milieux poreux même en présence de conditions défavorables (énergie libre totale d’interaction positive). Des expériences de transport avec Escherichia coli conduites dans des milieux poreux se différentiant par leur porosité et physico-chimie ont été utilisées pour évaluer le poids respectif des phénomènes de transport et d’adhésion dans la migration de cellules et pour tester un modèle de transport. La restitution des courbes d’élution observées a requis la prise en compte de deux types de détachements des cellules retenues. Les cellules retenues par les interactions de faibles intensités (Lifshitz-van der Waals) peuvent se décrocher sous l’effet des forces hydrodynamiques ou par des répulsions électrostatiques dont la portée et l’intensité augmentent lorsque la force ionique de la solution diminue. Les cellules fortement retenues peuvent aussi se détacher mais à un rythme lent et donnent lieu à de longues traînées. Les résultats ont montré que dans les milieux homogènes le transport bactérien est principalement gouverné par les interactions électrostatiques, alors que dans des milieux présentant une porosité plus compliquée, le transport est moins dépendant des interactions électrostatiques, voire très peu influencé par celles-ci. L’étude du transport, dans un sable et dans un sol, d’une communauté bactérienne issue d’une boue de station d’épuration a montré les points suivants : i/ une forte réduction de la diversité microbienne et de la concentration bactérienne ; ii/ parmi les espèces transportées se trouvaient des coliformes fécaux ; iii/ les bactéries ayant traversé les colonnes sont chargées négativement. Ces résultats confirment le rôle important des interactions électrostatiques sur la migration de bactéries en milieux poreux

  • Titre traduit

    Bacterial transport in porous media : experimentations and modelling : contamination with bacteria from waste water sludge


  • Résumé

    The study of bacterial transport in porous media is an important stake for the protection of ground water resources against microbial contaminations. Disposal of waste water plants effluents is an important source of pathogenic bacteria in the environment whose displacement in the ground may cause health concerns. The transport of a bacterium in a porous matrix is subjected to a competition between displacement, adhesion and blocking processes. Experiences with a broad range of bacteria with variable cellular surface properties revealed that the transport and adhesion behaviour is not identical for all the strains but depended on their respective hydrophobic and electrophoretic cell characteristics. Bacterial adhesion in porous media prevents their transport but is not an irreversible phenomenon. A model of bacterial transport in porous media able to reproduce correctly the experimental observations required to take into account two types of cell detachments: slow and fast. The cells retained by weak interactions (Lifshitz-van der Waals) can be detached by hydrodynamic forces or electrostatic repulsions whose range and intensity increase when the ionic force of a solution decreases. These results showed also that bacterial transport relied heavily on electrostatic interactions. Transport conditions are enhanced by higher electrostatic repulsions between cells and solid surface. In situ observations of Escherichia coli cells moving through pores highlighted the wedging of the bacterial cells by surface roughness and at zones of contact between porous media grains. In homogeneous mediums such as sand bacterial transport is mainly controlled by electrostatic interactions. However in heterogeneous mediums such as a soil hydrodynamics and porosity are more important. In particular for unsaturated soils where filtration of cells by small pores considerably reduces bacterial transport. The study of the fate in sand and soil media of bacterial communities from waste water plant sludge showed that faecal coliforms were among the species able to be transported. The results of this study made it possible to define safety rules related to waste water plants effluents spreading practices

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  • Détails : 1 vol. (283 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 241-261

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