Microalgues phototactiques : des effets de mémoire au transport contrôlé de particules passives

Dans cette thèse, nous étudions le comportement phototactique des microalgues Chlamydomonas reinhardtii et leur rôle dans le mouvement de particules passives au sein de suspensions d’algues. Le travail est structuré autour de trois chapitres principaux, chacun abordant des aspects distincts de la phototaxie et de la dynamique des particules passives.Dans le chapitre 1, nous explorons les effets de mémoire à court terme dans la réponse phototactique des microalgues. Alors que l'adaptation à long terme aux stimuli lumineux a déjà été documentée, nous démontrons expérimentalement que les microalgues présentent également un effet de mémoire à court terme sur une échelle de temps de quelques minutes. Cet effet mémoire est le contraire de l'adaptation : après des stimulations consécutives, les algues se comportent comme si l'intensité lumineuse augmentait, alors même qu’elle reste constante. Nous proposons un modèle simplifié de phototaxie pour expliquer ce comportement, suggérant que l'interaction entre l'échelle de temps biochimique interne et l'échelle de temps du stimulus engendre cet effet de mémoire, qui pourrait être commun à d'autres micro-organismes phototactiques.Le chapitre 2 s'intéresse à l’augmentation de la diffusion de billes passives dans des suspensions denses de C. reinhardtii en mouvement. Nous montrons que des particules de 50 microns de diamètre présentent une diffusivité accrue, avec des déplacements largement supérieurs à ceux attendus pour un mouvement brownien à cette échelle. Notre analyse révèle que, à mesure que la concentration de nageurs augmente, la diffusion effective de ces billes peut atteindre des valeurs trois ordres de grandeur plus élevées que celles prédites par du pur mouvement brownien. Contrairement aux études antérieures sur des traceurs de taille micrométrique, nous attribuons ces grands déplacements à de longs trajets, probablement dus au transport par contact direct des billes par les algues, plutôt qu’à l'entraînement hydrodynamique de nageurs individuels. Aux concentrations les plus élevées, nous observons une amélioration significative de la diffusion, mettant en évidence l'impact des micro-organismes nageurs sur le transport de grandes particules.Dans le chapitre 3, nous exploitons le comportement phototactique des microalgues pour contrôler le transport de particules passives, en convertissant leur mouvement aléatoire en un transport dirigé. Nous plaçons de grosses billes (d'un diamètre compris entre 50 et 460 microns) dans des suspensions de microalgues dans une chambre centimétrique et utilisons une source lumineuse latérale pour provoquer une accumulation d'algues au bord. Les rouleaux de bioconvection générés repoussent les billes denses loin des algues et attirent les billes légères vers elles. Ce transport contrôlé est induit par le gradient local de concentration en algues, entraînant un régime balistique rapide suivi d'un régime de type diffusif, plus lent, induit par l'adaptation phototactique. En utilisant deux sources lumineuses opposées, à intensités ajustables, nous concentrons les algues dans une région confinée de quelques millimètres de large et déplaçons progressivement cet agrégat d'algues concentré. Ce dernier attire les billes légères, formant de grands radeaux qui peuvent être dirigés à travers la chambre. La plume d'algues peut également repousser les billes plus denses en se déplaçant, nettoyant la surface inférieure de la chambre. Cette approche ouvre de nouvelles perspectives pour la manipulation de particules passives dans des suspensions actives grâce à aux écoulements induits par la lumière.En résumé, en étudiant à la fois les effets de mémoire à court terme chez les algues et le transport contrôlé de grandes particules passives, cette thèse présente une meilleure compréhension des écoulements induits par la phototaxie et leur influence sur la dynamique de billes passives.