In the aquatic environment, 90% of microorganisms are present as a biofilm rather than free-swimming cells. Biofilms may develop on most of humid surfaces, in particular, in porous media for their high specific surface area. Biofilm formation in porous media is very interesting subject for many scientific researchers, because of its relevance to many industrial processes such as water treatment, soil bio- mediation, oil recovery and CO2 storage. However, the development of the biofilm is not just a passive aggregation of bacteria cells. It involves biological, physical and chemical interactions with the bacteria’s micro-environment. Several studies in macroscopic scale have shown that hydrodynamic conditions in porous media play an essential role on the dynamics of biofilm growth, which in turn affects hydrodynamic properties of porous media such as porosity, permeability and pressure drop. In this thesis we have developed an experimental device and an appropriate methodology for the characterization of biofilm’s structure. An experimental study on the influence of fluid flow on the formation and structure of biofilms was performed using a bacterial strain Pseudomonas putida. Biofilms were grown in micro Hele-Shaw flow cell (in PDMS or PMMA) under laminar flows (Re=0.04~2) and fed continuously with a nutrient medium. Characterization of initial colonization was also carried out in order to examine the statistical variability and reproducibility of experiments. Biofilm formation on a solid support under a sheared flow (Re=0.04 (0.0021 Pa) and Re = 2 (0.094 Pa)) was evaluated after 24, 48 and 72h of development. Observations were made under a confocal laser scanning microscopes using fluorescent tag. 2D images were taken at different positions in the flow cell and used to perform a 3D reconstruction of biofilm’s structure and an evaluation of its spatial distribution for an observation area of 12 *12mm². The results show that biofilms formation is not sensitive to initial colonization. A stratification of biofilm was also observed. The inner layer has a thin thickness (5~10 µm), but with a dense structure, while the outer layer show rather a filamentous structure. The ratio of volume fractions between these two layers varies from 3 to 12, depending on the formation time. This difference is more important in the case of low shear stress than that of high shear stress, which means that the upper part of the biofilm seems to be controlled by the hydrodynamic conditions. By analyzing the spatial distribution of the biomass, we found that after 48h, the biofilm present a significant heterogeneity and the volume fraction of biomass decreases after 72h for both two hydrodynamic conditions, which suggests probable detachments or erosions of biofilm. Concerning the growth kinetics, different apparent growth rates were observed for each observation time. These values are significantly below the growth rates observed in free culture medium. This result also indicates a possible effect of hydrodynamics on the growth of biofilm. This experimental study of biofilm formation in micro-scale allowed us to obtain the information on the biofilm structural and its apparent growth rate, as well as the hydrodynamic effect on its properties across several pores of the porous media. This scaling up makes it’s possible to develop eventually mathematical models to simulate the evolution biofilm’s morphology and its spatial distribution in the porous medium.

En milieu aquatique, 90% des microorganismes se prĂ©sentent sous forme de biofilm plutĂ´t que dans un Ă©tat planctonique. Les biofilms peuvent se former sur la plupart des surfaces humides, en particulier, les milieux poreux en raison de leur grande surface spĂ©cifique. La formation du biofilm dans les milieux poreux reprĂ©sente un domaine prĂ©cieux pour la recherche scientifique en raison de sa pertinence pour de nombreux processus industriels, telles que le traitement des eaux, la bio-mĂ©diation des sols, la rĂ©cupĂ©ration du pĂ©trole et le stockage du CO2. Cependant, le dĂ©veloppement du biofilm n’est pas simplement une agrĂ©gation passive de cellules, il implique des interactions biologiques, physiques et chimiques avec le microenvironnement. Les Ă©tudes macroscopiques ont dĂ©montrĂ© que les conditions hydrodynamiques dans les milieux poreux jouent un rĂ´le dĂ©cisif sur la dynamique d’accumulation des biofilms, ce qui influence Ă  son tour les propriĂ©tĂ©s hydrodynamiques comme la porositĂ©, la permĂ©abilitĂ© et la chute de pression. Dans cette thèse nous avons mis au point une mĂ©thodologie et un dispositif expĂ©rimental permettant la caractĂ©risation de la structure d’un biofilm.A partir de cette procĂ©dure, une Ă©tude expĂ©rimentale sur l’influence de l’écoulement sur la formation et la structure des biofilms a Ă©tĂ© effectuĂ©e sur une souche bactĂ©rienne Pseudomonas putida. Les biofilms sont dĂ©veloppĂ©s dans des micros cellules d’écoulement de type Hèle-Shaw (en PDMS ou PMMA) et alimentĂ©s en continue avec un milieu nutritif. La caractĂ©risation de la colonisation avant croissance du biofilm a Ă©tĂ© Ă©galement rĂ©alisĂ©e afin de pouvoir caractĂ©riser la variabilitĂ© statistique et la reproductibilitĂ© des expĂ©riences. La formation du biofilm sur un support solide dans un Ă©coulement cisaillĂ© a Ă©tĂ© Ă©valuĂ©e après 24h, 48h et 72h de dĂ©veloppement pour deux conditions hydrodynamiques, Re=0.04 (0.0021 Pa) et Re=2 (0.094 Pa). Les observations ont Ă©tĂ© effectuĂ©es sous microscope confocal Ă  l’aide de marqueurs fluorescents. Des images 2D sont prises en diffĂ©rentes positions puis sont utilisĂ©es pour effectuer une reconstruction 3D du biofilm avec l’évaluation la distribution spatiale sur une zone de 12*12mm². Nous avons ensuite mis en Ă©vidence que les biofilms formĂ©s sont peu sensibles aux conditions de colonisation initiales. Nous avons Ă©galement observĂ© une stratification du biofilm selon la hauteur. La couche interne prĂ©sente une faible Ă©paisseur (5~10 µm) mais avec une structure dense, tant dis que la couche externe prĂ©sente plutĂ´t une structure filamenteuse. Le rapport des fractions volumiques entre ces deux couches peut varier de 3 jusqu’à 12, selon le temps de formation. Cet Ă©cart est autant plus important pour le cas de faible cisaillement que celui de fort cisaillement. Ceci montre que la partie supĂ©rieure du biofilm semble ĂŞtre contrĂ´lĂ©e par les conditions hydrodynamiques. En analysant la distribution spatiale du biofilm, nous avons constatĂ© une forte hĂ©tĂ©rogĂ©nĂ©itĂ© après 48h de dĂ©veloppement prĂ©sente dans la structure, ainsi qu’une diminution de la fraction volumique de la biomasse après 72h, pour les deux conditions hydrodynamiques imposĂ©es. Ceci Ă©voque de probables dĂ©tachements ou des Ă©rosions du biofilm. A propos de la cinĂ©tique de croissance, on constate un taux de croissance apparent diffĂ©rents pour chaque temps d’observation. Ces valeurs sont largement infĂ©rieures aux taux de croissance observĂ© en culture libre. Ce rĂ©sultat indique Ă©galement un possible effet de l’hydrodynamique sur la croissance du biofilm. Cette Ă©tude nous permet, Ă  partir des mesures Ă  l’échelle microscopique, d’obtenir des informations sur la structure et le taux de croissance apparent du biofilm, ainsi que l’effet de l’hydrodynamique sur ses propriĂ©tĂ©s Ă  l’échelle de quelques pores. Ce changement d’échelle, permettra Ă  terme de dĂ©velopper des outils pour simuler et/ou modĂ©liser l’évolution de la morphologie et la distribution spatiale d’un biofilm dans un milieu poreux.