Abstract :
[en] There is a growing interest in using biotechnologies in soil. These technologies involve the use of microorganisms and their products to, among other applications, improve soil mechanical properties, control pollution, and promote tertiary oil recovery. One of the main challenges is in situ real-time monitoring during treatment but also in the long term to maintain optimal conditions in space and time. Because of its sensitivity to biogeochemical changes, spectral induced polarization (SIP) is a good candidate for non-invasive monitoring of such processes but, even though previous studies have shown encouraging results, there is a strong need to deepen our understanding on the effects of bacterial cells on the spectral induced polarization measurements.
In this work, we thoroughly evaluated the current knowledge of the electrical properties of bacteria and biofilms in aqueous suspensions and in porous media in terms of complex electrical conductivity. In addition to reviewing the spectral induced polarization literature, we also reviewed other fields of investigation. On this basis, we addressed key questions arising from the literature review with laboratory experiments on bacterial suspensions and on bacteria in sand: differences between Gram-positive and Gram-negative bacteria, comparison of the spectral induced polarization signatures of different bacterial strains in similar conditions, presence of two peaks in the frequency range usually associated with the alpha-polarization, influence of the metabolic activity, real time growth monitoring in suspension and in sand devoid of metal precipitates and non-soluble phases, and comparison between cells in pore solution and the ones interacting with the porous matrix.
Three experiments were performed in aqueous suspensions. The first focused on different strains grown in shake flasks and resuspended in the same medium. The second experiment was similar but bacterial cultures were incubated in bioreactors. The third experiment monitored bacterial growth in a bioreactor in real-time conditions. In general, phase shift spectra started to differentiate from the background at around 10 Hz till 10 kHz but the lower limit of this frequency range varied, depending on the strain, on bacterial concentration, and on experimental conditions. Phase values were on the order of a few tenths of mrad at most at 1 kHz. We showed that measured phase shifts depended on many factors: bacterial concentrations, experimental conditions, bacterial strains, and probably metabolic activity. These factors are interdependent and thus their influence on the spectral induced polarization data is challenging to isolate.
Two experiments were conducted in sand: one focused on bacterial suspensions mixed with sand while the second one monitored bacterial growth in sand in real-time conditions. In general, the two experiments performed in sand demonstrated the high sensitivity of the phase shift measurements to small variations of bacterial concentrations in sand and to differences in the behaviour of the bacterial cells. Phase shifts values measured in sand showed a maximum increase of 0.15 mrad compared to the background.
We showed that the sensitivity of spectral induced polarization to the presence of bacterial cells was a real asset of the method. However, the phase values attributed to bacteria would be challenging to discriminate from other sources of polarization, especially in presence of metal precipitates or ‘biominerals’. Moreover, since the spectral induced polarization method is sensitive to a large number of factors such as the surface and the pore space properties of the porous matrix, the mineralogy, and the pore fluid chemistry, the small variations in the phase values observed with bacteria are likely to remain below the detection limit in natural environments under field conditions. Concerning mechanistic modelling, we highlighted that the development of a mechanistic model based on the analogy with mineral and colloids had inherent limitations and should be further developed to include the dynamic plasticity of the bacterial cells such as metabolic activity, evolving morphologies, biofilm formation activity or lysis.
[fr] 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 alpha; 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.
