Caractérisation de biofilms formés à la surface de

éq u i p e d e
recherche sur les
re l a t i o n s
ma t r i c e
extra cellulaire
cel l u l e s
ECOLE DOCTORALE SCIENCE ET INGENIERIE
de l’Université de Cergy-Pontoise
THESE
Présentée pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université de Cergy-Pontoise
Spécialité : Microbiologie
Caractérisation de biofilms formés à la surface de membranes
de nanofiltration dans un processus de production d’eau potable
et stratégies de lutte anti-biofilm
Par
Ahmed HOUARI
Equipe de Recherche sur les Relations Matrice Extracellulaire Cellules
EA 1391
Soutenue le Jeudi 24 Septembre 2009
Devant le jury composé de
J.C. BLOCK Professeur à l'université de Nancy Rapporteur
T. JOUENNE Directeur de recherche CNRS, Rouen Rapporteur
E. PAUL Professeur à l'université de Toulouse, INSA Examinateur
M. DJAFER Docteur d'université, Véolia eau, Nanterre Examinateur
O. GALLET Professeur à l'université de Cergy-Pontoise Examinateur
P. DI MARTINO Professeur à l'université de Cergy-Pontoise Directeur de thèse

Remerciements
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du laboratoire ERRMECe (EA 1391)
de l’université de Cergy-Pontoise sous la direction scientifique du Professeur Patrick Di Martino en
collaboration avec Véolia Eau et le syndicat des eaux d’Ile de France (SEDIF).
Je tiens à remercier en premier lieu Patrick Di Martino pour la confiance qu'il m'a accordé en me
proposant ce sujet de thèse, pour son encadrement paternel et la compréhension dont il a fait preuve
dans les moments les plus difficiles. Je remercie également Malik Djafer, Responsable de l’unité
environnement et process qualité d'eau de Véolia Eau Banlieue de Paris et Véronique Heim, directeur
général adjoint des services techniques du SEDIF pour leur support scientifiquement et financier dans
la conduite de mes travaux.
Je remercie Messieurs Jean Claude Block, Professeur des universités (Université de Nancy), Thierry
Jouenne Directeur de recherche CNRS (Université de Rouen), Etienne Paul Professeur des universités
(INSA de Toulouse), Malik Djafer Responsable de l’unité environnement et process qualité d'eau
(Véolia Eau banlieue de Paris), et Olivier Gallet, Professeur des universités (Université de Cergy-
Pontoise) de l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d'évaluer mes travaux de thèse.
Je remercie toutes les personnes qui ont permis à ce travail de fructifier, et notamment :
Madame Véronique Larreta-Garde, Professeur des Universités, pour m’avoir accueillie au sein du
laboratoire qu’elle dirige,
Mesdames Hélène Habarou, Karima Kecili et Monsieur Cyril Marconnet Ingénieurs de recherche et
développement (Véolia Eau banlieue de Paris) pour leurs compétences, leur gentillesse et l'aide
scientifique et technique qu'ils m'ont fournis,
Monsieur Ludovic Galas, Ingénieur de recherche INSERM à l'Université de Rouen (U413), pour ses
connaissances, sa sympathie, la formation qu'il m'a donné et les longs moments que nous avons passé
à faire des acquisitions en microscopie confocale,
Madame Irène Zimmerlin, Technicienne de l’Université de Rouen (UMR 6143 CNRS) pour ses
grandes compétences dans le domaine de la microscopie électronique,
Je remercie également tous les membres d'ERRMECe pour leur sympathie. Je tiens tout
particulièrement à remercier Damien et Julien pour l'aide scientifique et technique qu'ils m'ont
apportée, leur amitié et tout le reste. Merci à Flô pour sa participation aux manipulations, sa gentillesse
et son dévouement. Merci à Céline, Julien, Marie Cécile, Loraine, Lucie, Rémy, Edefia, Pierre, pour
l’amitié, l’aide et la gentillesse qu’ils ont manifestée à mon égard. Enfin, je tiens à remercier ma
famille et mes amis pour leur soutien et leurs encouragements dans les bons moments comme dans les
moments difficiles. Merci à tous du fond du cœur.

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Sommaire
Introduction générale et objectifs……………………………………………….. p17
Revue bibliographique……………………………………………………………… p26
I. Le biofilm…………………………………………………………………………...p27
A. Définition et caractéristiques …………………………………………………… p27
1. Définition…………………………………………………………………. p27
2. Morphologie et architecture………………………………………………. p29
3. Effet des forces de flux sur le développement de biofilm………………... p34
B. Spécificité des bactéries organisées en biofilm…………………………………. p36
1. Modification du transcriptome et du protéome………………………….... p36
2. Résistance aux stress……………………………………………………… p39
C. Etapes générales de formation d’un biofilm bactérien………………………….. p44
1. Adhérence à un support…………………………………………………… p44
2. Maturation du biofilm……………………………………………………... p48
3. Détachement………………………………………………………………. p50
II. Nanofiltration en production d’eau potable, colmatage membranaire………...p53
A. Filtration en production d’eau potable………………………………………….. p53
B. Principe et bases théoriques de la NF…………………………………………… p56
1. Structure des membranes de nanofiltration………………………………..p57
2. Caractéristiques des membranes organiques……………………………... p58
3. Mise en œuvre du procédé de nanofiltration……………………………… p59
C. Colmatage des membranes……………………………………………………… p62
1. Concentration polarisation………………………………………………... p62
2. Adsorption et blocage des pores………………………………………….. p63
3. Formation du « gâteau »………………………………………………….. p63
4. Colmatage biologique ou biocolmatage………………………………….. p64
III. Exemples de stratégies existantes pour lutter contre les biofilms…………. p68
A. Stratégies de prévention…………………………………………………….. p68
1. Matériaux « résistants à la colonisation »………………………………… p68
2. Maîtrise de la matière organique biodisponible…………………………... p72
3. Maîtrise des populations microbiennes planctoniques................................ p74

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B. Stratégies curatives.......................................................................................... p78
1. Traitements chimiques non enzymatiques................................................... p78
2. Traitements enzymatiques........................................................................... p80
3. Traitements physiques................................................................................. p81
4. Protocole de nettoyage................................................................................ p82
Matériel et méthodes................................................................................................... p84
I. Matériel et installations mises en œuvre pour les études...................................... p85
A. Le matériel d’étude............................................................................................... p85
1. Pilote intégré à l’usine de Méry-sur-Oise.................................................... p85
2. Pilote de nanofiltration indépendant........................................................... p87
3. Autopsie des membranes............................................................................. p90
B. Les processus de nettoyage................................................................................... p91
1. Nettoyage in vitro des membranes............................................................... p91
2. Nettoyage des membranes sur pilote........................................................... p92
II. Les techniques d’analyse......................................................................................... p93
A. Les techniques d’imagerie..................................................................................... p93
1. Microscopie à épifluorescence..................................................................... p93
a. Principe................................................................................................. p93
b. Application........................................................................................... p94
2. Microscopie confocale à balayage laser...................................................... p95
a. Principe................................................................................................ p95
b. Application........................................................................................... p97
3. Microscopie électronique à balayage........................................................... p98
a. Principe................................................................................................. p98
b. Application........................................................................................... p99
B. Les techniques biochimiques et physicochimiques............................................... p100
1. Analyse du dépôt de colmatage par spectroscopie infrarouge à transformée de
Fourier en mode de réflexion totale atténuée (ATR-FTIR)............................. p100
a. Principe................................................................................................. p100
b. Application........................................................................................... p104
2. Mesure de l’activité du biofilm par ATPmètrie........................................... p105
a. Principe.................................................................................................. p105
b. Application............................................................................................ p106
3. Analyse du dépôt de colmatage par rhéologie............................................ p107
a. Principe................................................................................................. p107