Nage des algues motiles dans un écoulement oscillant

Swimming algae in oscillatory flows

• Auteur / Autrice : Elnaz Pashmi
• Direction : Hassan Peerhossaini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Bataille
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hassan Peerhossaini, Françoise Bataille, Christophe Gourdon, Ahmed Ould El Moctar, Annick Méjean
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Gourdon, Ahmed Ould El Moctar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules -- Motilité

Phototaxie

Chlamydomonas reinhardtii

Microalgues

Microfluidique

Particules (matière)

Mots clés libres

Ecoulement oscillant

Particules actives

Microfluidique

Microalgues

C

Reinhardtii

Phototaxie

Motilité

Oscillatory flow

Active particles

Microfluidics

Microalgae

C

Reinhardtii

Phototaxis

Motility

Résumé

Alors que nombreuses études ont été menées sur l'hydrodynamique de micro-organismes motiles soumis à des écoulements cisaillés en régime stationnaire ; l'écoulement oscillant a reçu très peu d'attention. Dans ce travail, nous étudions la nage et le transport de Chlamydomonas reinhardtii, qui est une algue phototactique modèle, dans un écoulement oscillant cisaillé. L'écoulement sinusoïdal est généré à l'aide d'un système microfluidique qui pilote la pression. Trois microcanaux de sections rectangulaires de hauteurs identiques et de largeurs différentes ont été utilisés. Le débit a été exprimé par Flow rate( t )=A .sin( ωt ) où t, A et ω représentent respectivement le temps, l'amplitude et la fréquence angulaire d'oscillation. Différentes amplitudes (A=0,075, 0,15, 0,22, 0,3 et 0,5 µl/min) et fréquences d'oscillation (f= 0,5, 1, 2 et 3,3 Hz) ont été appliquées. La première partie de l'étude s'est concentrée sur la migration latérale des cellules dans les écoulements stationnaires et sinusoïdaux. Les trajectoires de cellules ont été caractérisées pour ces deux régimes d'écoulement. Il a été montré que la dynamique des algues dans l'écoulement stationnaire varie d'un mouvement semi-Brownien à un mouvement en forme de zigzag selon la vitesse d'écoulement (taux de cisaillement). En augmentant la vitesse d'écoulement, une diminution de l'angle entre les trajectoires et la direction d'écoulement a été observée. Lorsque l'écoulement est devenu sinusoïdal, les cellules ont commencé à nager perpendiculairement à la direction de l'écoulement ; d'une paroi latérale à la paroi opposée en suivant des trajectoires ondulées. Chaque trajectoire avait une forme sinusoïdale en particulier au cœur du microcanal où l'effet de couche limite est faible. Après avoir atteint une paroi, les cellules ont passé un court moment à glisser ou à s'y coller avant de repartir vers la paroi opposée en suivant toujours des trajectoires ondulées. Une corrélation entre les longueurs d'onde des trajectoires et les paramètres d'oscillation (amplitudes et fréquences de l'écoulement) a été déterminée. Ensuite, le comportement phototactique de Chlamydomonas reinhardtii au sein d'une suspension oscillante a été étudié. Deux LEDs ont été placées à côté d'une des parois latérales d'un long microcanal de section rectangulaire (largeur = 500 m, hauteur = 85 m). En ce qui concerne les effets à court terme de l'exposition à la lumière, il a été montré que si la période d'oscillation de l'écoulement est plus courte que le temps de réponse des algues à la lumière (environ 1 seconde), les cellules ne réagissent pas immédiatement à la lumière. Ainsi, le pourcentage de cellules présentant une phototaxie négative (Nup) augmente plus lentement par rapport aux cas où la période d'oscillation est suffisamment longue (basses fréquences). Concernant les effets à long terme de la lumière, les résultats ont montré que le comportement phototactique des algues varie en fonction du temps et que cette variation est différente pour les suspensions de faibles et de hautes concentrations. Pour les suspensions de faibles concentrations, Nup augmente au début de chaque cycle d'exposition à la lumière jusqu'à atteindre un pic; puis il diminue jusqu'à la valeur initiale indiquant que l'effet de la lumière n'est plus perceptible par les cellules. Lorsque ce cycle a été répété après une petite pause (lumière éteinte), une tendance similaire de la variation de Nup mais avec une valeur de crête plus petite a été observée. Cet effet d'amortissement s'est poursuivi en répétant le cycle et finalement les algues ont perdu leur sensibilité à la lumière. Un modèle empirique en bon accord avec les données expérimentales a été proposé pour ce comportement. Il a été expliqué que cet amortissement de la sensibilité à la lumière est dû à une corrélation entre l'adaptation des algues à la lumière et la réadaptation de leur fluorescence chlorophyllienne.

While various studies have been conducted on the hydrodynamics of motile microorganisms subjected to steady shear flows; oscillating flow has received much less attention. In this study, we investigate the swimming and transport of the phototactic alga Chlamydomonas reinhardtii in oscillatory shear flows. Sinusoidal flow of algal suspension was generated in the microchannels using a microfluidic pressure-driven controller. Three microchannels of rectangular cross-section with similar heights and different widths were used. The oscillating flow was expressed as Flow rate( t )=A .sin( ωt ) where Flow rate( t ), t, A, and ω, represent the instantaneous flow rate, time, amplitude and angular frequency of the oscillating flow rate, respectively. The different amplitudes considered in the study were A=0.075, 0.15, 0.22, 0.3 and 0.5 µl/min. For each amplitude, four frequencies were applied: f = 0.5, 1, 2 and 3.3 Hz. The focus of the first part of study was on the cross-flow migration of the cells. The characteristics of cell trajectories were determined in both steady and sinusoidal flow conditions. It was shown that the dynamics of the cells in the steady flow varies from a semi-Brownian motion to a zigzag motion depending on the flow velocity (shear rate). By increasing the flow velocity, a decrease in the angle between the trajectories and the flow direction was observed. When the flow condition turned to a sinusoidal flow, the cells started to swim from one lateral wall to the opposite wall in wavy trajectories and perpendicularly to the flow direction. Each trajectory was similar to a sinusoidal-form displacement especially in the central zone of the microchannel where the effect of boundary layer is weak. After reaching the wall, the cells spent a short while sliding on or sticking to it before leaving toward the opposite wall following similar wavy trajectories. The correlation between the wavelengths of the trajectories and the parameters of flow oscillation (amplitudes and frequencies) was determined. In the next part of study, the phototactic behavior of Chlamydomonas reinhardtii was studied in oscillatory flows. Two light-emitting diodes were placed next to one of the lateral walls of a long PDMS microchannel of rectangular cross-section (width = 500 μm, height =85 μm) which was enclosed in a dark box. With respect to the short-term effects of light exposure, it was shown that if the period of flow oscillation is shorter than the response time of the cells to a light stimulus (about 1 second), the cells can not react immediately to the light and thus, the increase in the percentage of cells showing a negative phototaxis (Nup) occurs later compared to the cases where the oscillation period is enough long (low frequencies). Regarding the long-term effects of light exposure, it was shown that the phototactic behavior of the cells is a function of time in both low and high concentrated suspensions; however, this evolution with time depends on the concentration. Over a cycle of light exposure on the dilute suspensions, Nup increases in the beginning until reaching a peak; then it decreases to the initial value indicating that the effect of light is no longer perceptible by the cells. When the light cycle was repeated after a short rest time (light off), a similar trend but with a smaller peak value was observed. This damping effect persisted by repeating the light cycle and finally the cells were no more sensible to the light. An empirical model that fits well the experimental data was proposed for this behavior. It was explained that the decrease in the overall response to the light stimuli is due to a connection between light adaptation of Chlamydomonas reinhardtii cells and readaptation of their chlorophyll fluorescence.