Croissance des biofilms

Biofilms

Croissance des biofilms

Tel que représenté à la Figure 1-2, le modèle classique utilisé pour représenter la croissance des biofilms comprend les cinq étapes suivantes : attachement initial réversible de bactéries, formation de microcolonies en surface et attachement irréversible, croissance rapide des colonies bactériennes, maturation du biofilm et finalement, rupture du biofilm ou libération de bactéries à partir des microcolonies [28]. Il a été récemment démontré que la libération des bactéries se produit à toutes les étapes de la croissance des biofilms [8]. Malgré les travaux faits au cours des dernières années pour mieux connaître les biofilms, ces différentes étapes ne sont pas encore bien comprises. Les premières étapes de croissance (attachement initial, formation de microcolonies et croissance rapide) sont déterminantes pour la structure du biofilm final et nécessitent d’être étudiées davantage.
Figure 1-2 : Modèle représentant les étapes de croissance : A) attachement initial réversible. B) formation de microcolonies et attachement irréversible, C) croissance rapide des colonies, D) biofilm mature et E) rupture partielle ou complète du biofilm.
D’abord, lors de l’attachement initial réversible des bactéries, ces dernières s’attachent directement à la surface où à une couche de conditionnement à l’aide de glycoprotéines présentes à leurs surfaces. La couche de conditionnement est généralement constituée de différentes biomolécules telles que les protéines et les polysaccharides. Elle est produite par les bactéries ou autres organismes présents dans le milieu environnant. La formation de la couche de conditionnement est cruciale pour l’attachement initial des bactéries sur les surfaces qui ne sont pas propices à l’attachement et la croissance. Cela permet, entre autres, à certains biofilms de se former sur des surfaces antiadhésives comme le téflon [29]. À cette étape, les bactéries sont encore légèrement mobiles et peuvent se retirer de la surface. Ensuite, chaque bactérie qui a adhéré à la surface commence à se répliquer pour former une microcolonie. À cette étape, il y a une production importante de glycoprotéines permettant l’adhésion irréversible à la surface [30]. Lorsque les conditions sont propices, il y a réplication rapide des bactéries et production de la matrice extracellulaire. Par la suite, les microcolonies mûrissent et forment différents types de structures en fonction de leur environnement et du type de bactéries. Lorsque les biofilms sont matures, il peut y avoir rupture partielle du biofilm, ce qui provoque sa dispersion. Il est important de noter que la dispersion du biofilm peut aussi se produire pendant chaque étape de sa croissance [8].
Lors des différentes étapes de croissance des biofilms, leur composition varie grandement. Plusieurs facteurs influencent la dispersion comme les forces de cisaillement, certaines enzymes pouvant dégrader la matrice extracellulaire, la présence de surfactants ou de chélatants, des molécules induisant un signal de détection du quorum et le changement des conditions environnementales. Ce dernier facteur inclut la concentration en oxygène et en nutriments [5]. Les biomolécules impliquées dans le conditionnement de la surface et l’adhésion initiale sont différentes de celles retrouvées dans les bactéries et dans le biofilm. De plus, les changements du métabolisme des bactéries se traduisent par une variation dans la concentration en biomolécules comme les protéines, les polysaccharides, les phospholipides et les acides nucléiques. Ces changements ne sont pas observables directement en microscopie en champ clair et en microscopie à fluorescence. Pour cette raison, l’utilisation de techniques comme la spectroscopie infrarouge pendant la croissance se révèle utile pour mieux suivre ces effets [31, 32]. Par ailleurs, il est important de considérer que ces étapes ne sont pas parfaitement définies. Ainsi, plusieurs étapes peuvent se chevaucher en même temps pour un biofilm sur une même surface. De multiples facteurs entrent en jeu dans la croissance des bactéries. De ce fait, certains matériaux favoriseront l’attachement alors que d’autres l’inhiberont. Sur un même substrat, les défauts en surface ont tendance à servir de point de départ pour l’attachement initial. L’environnement chimique (concentration en nutriments, agents pathogènes, biomolécules, molécules impliquées dans la détection du quorum) et physique (vélocité du liquide, topologie du substrat, forces de cisaillement, gradients de concentration) est déterminante pour la transition entre ces phases et favorise certains phénotypes dans des parties du biofilm. Le comportement global du biofilm est régi par un mécanisme complexe impliquant la communication entre les organismes qui le composent. Il peut y avoir communication à partir de différents médiateurs tels que de l’ADN extracellulaire et certains dérivés d’acides nucléiques. Un des processus les plus importants est la détection du quorum (Quorum sensing) [28, 33, 34].

Transfert de masse dans les biofilms

La manière dont les biofilms interagissent avec leur environnement est différente des bactéries planctoniques. Pour les bactéries planctoniques nageant librement dans un milieu aqueux, les phénomènes de diffusion ont une importance limitée. Les mouvements des bactéries leur permettent en effet de se déplacer en direction des endroits où la concentration en nutriments est plus élevée en fonction du gradient de concentration dans le milieu [35]. Leurs mouvements sont aussi affectés par la présence de surfaces. Il a aussi été démontré que le mouvement des bactéries planctoniques favorise le mélange dans la solution [36]. De plus, lorsque des bactéries se retrouvent dans un milieu turbulent, le principal mécanisme de transfert de masse est la convection et le mélange est efficace. Puisque le biofilm forme une barrière physique empêchant les phénomènes de turbulence, les transferts de masse se font essentiellement par diffusion.
Dans un milieu où la diffusion est le principal mécanisme de transfert de masse, on peut considérer que la diffusion d’une molécule ou d’un ion est décrite par son coefficient de diffusion en milieu aqueux (Daq ; m2s-1) [37]. Cela est seulement le cas si la diffusion n’est pas limitée par une autre substance. Le coefficient de diffusion effectif (De; m2s-1) dans le biofilm sera toujours plus faible que celui en milieu aqueux à cause de la présence des bactéries, de la matrice extracellulaire et de toute particule ou bulle trappée par le biofilm. On retrouve d’autres facteurs limitants pour le transfert de masse dans un biofilm qui sont reliés au rôle actif des bactéries. Pour les molécules pouvant être consommées ou dégradées par le biofilm, la concentration à l’intérieur du biofilm prendra un temps plus élevé pour augmenter. Ainsi, on peut retrouver des zones très pauvres en nutriment ou en oxygène dans un biofilm [38, 39]. Plusieurs biofilms multi-espèces tirent profit de cet effet. Les biofilms mixtes contenant des bactéries aérobies, des fermenteurs et des anaérobies sont formés grâce au gradient d’oxygène produit. Dans les couches supérieures, on retrouve les bactéries aérobies qui ont besoin d’oxygène pour leur métabolisme. Lorsque la concentration d’oxygène est faible, on retrouve des microorganismes utilisant la fermentation comme mode de production d’énergie. Dans les couches inférieures du biofilm, alors que tout l’oxygène a été consommé, on peut alors retrouver des bactéries anaérobies qui utilisent différents mécanismes impliquant des molécules autres que l’oxygène comme accepteur d’électrons pour la respiration cellulaire. La matrice extracellulaire impose une barrière pour le transfert de masse par diffusion et convection autant pour les molécules pénétrant le biofilm (nutriments, antibiotiques, biomolécule ou autres) que pour celles produites par les bactéries et devant être excrétées (métabolites). La présence de trous dans le biofilm peut augmenter le transfert de masse en favorisant la convection lorsque la vélocité de l’écoulement est grande [6, 7]. Dans ces conditions, la convection est le mode de transfert de masse dominant [40]. Pour certaines communautés bactériennes, certains mécanismes symbiotiques peuvent prendre place. Dans ce cas, certains produits de dégradations d’un microorganisme peuvent être utilisés par d’autre espèces lors de leur métabolisme.