Modeling and simulation of bacterial biofilms

Abstract

The present thesis focus its efforts on developing a mathematical and experimental modelization of bacterial biofilms: bacterial colonies embedded into a polysaccharid matrix with a high resistance against removal processes, which result in a recurrent source of problems in other disciplines (medicine, engineering, etc). The behaviour of these organisms is highly dependant of the physical system in which they are present. So different case studies are faced here to show their complexity. First the dynamics of biofilms in straight ducts is studied. Experiments are performed to obtain statistics about spreading patterns, and a hybrid model (combining a discrete approach for bacterial population with stochastical behaviour rules and a continuum description of outer fields ruling those probabilities) is presented to simulate the biofilm dynamics, obtaining a successfully prediction of the different patterns observed in real experiments (at layers, ripples, streamers, mounds). This part is completed by providing an alternative continuum description of the biofilm dynamics (by deducing a lubrication equation) and extending the scope of the model to the formation of biofilm streamers inside a corner flow, where biomass adhesion mechanism become relevant. Streamers cross the channel joining both corners as observed experimentally. Additionally this thesis also includes a description of more complex dynamics observed in biofilms. An experimental description of biofilm dynamics under pulsatile flows at low Reynolds numbers show spiral patterns not reported yet, supported by a theoretical mechanism of formation based on the competence between flow dynamics and nutrient gradients. Quorum Sensing and differentiation mechanisms are also incorporated in a hybrid model to describe other kind of biofilms developed onto an agar-air interface, allowing similar geometries and cell distributions as in experiments reported previously. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

En esta tesis se aborda la modelización de biopelículas bacterianas, es de cir, agregados bacterianos adheridos a superficies y envueltos en una matriz polimérica que ellos mismos producen. Estos organismos son extremada mente resistentes a agresiones de todo tipo, como antibióticos o agentes químicos, lo que les confiere una gran relevancia a nivel hospitalario, indus trial o medioambiental. Su estudio se muestra especialmente complejo debido a que biopelículas formadas en distintas condiciones ambientales poseen dis tinta estructura, ya que involucran distintos comportamientos bacterianos. Inicialmente consideramos biofilms en fl ujos. Tras un estudio estadístico de su crecimiento en canales rectos, proponemos un modelo híbrido que de scribe las células como entidades que viven en una red y desarrollan actividades con una cierta probabilidad, determinada por campos de concentración continuos. Simulaciones del modelo generan estructuras similares a las ob servadas experimentalmente: ondulaciones, filamentos, championes, y per miten determinar la in fluencia de distintos parámetros en la organización del biofilm. Estudiamos la posibilidad de describir estas estructuras con modelos continuos. A continuación consideramos la in fluencia de la geometría de los canales en la forma del biofilm. Adaptamos el modelo híbrido anterior incluyendo mecanismos de adhesión y el efecto del fl ujo. Obtenemos filamentos que cruzan la corriente uniendo esquinas, similares a los observados experimen talmente. Al introducir un fl ujo pulsante, los filamentos se convierten en hilos que se enroscan en espiral. Documentamos este hecho experimentalmente y proponemos una explicación cualitativa como un balance de mecanismos de crecimiento y desplazamiento por el fluido. En los biofilms que crecen sobre superficies en contacto con el aire se activan mecanismos de diferenciación que determinan su forma. Incorporamos al modelo híbrido comportamientos de diferenciación celular por producción en cascada de autoinductores.