Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Aina Ramamonjy effectuée sous la direction de Philippe Brunet et l’encadrement de Julien Dervaux.

Soutenance le 14 février 2022 à 14h30.

La soutenance sera retransmise en direct visioconférence par zoom.

De la lumière pour induire des écoulements et la formation de motifs dans les suspensions de microalgues phototactiques

Résumé : Le mécanisme par lequel les organismes vivants recherchent des conditions de lumière optimales, la phototaxie, est un processus fondamental pour les micro-organismes photosynthétiques mobiles qui dépendent de la lumière pour survivre. La phototaxie est donc impliquée dans la quasi-totalité des processus naturels et des applications impliquant des microbes photosynthétiques, de la formation des efflorescences dans les environnements aquatiques à la migration verticale diurne du phytoplancton, en passant par la production de composés chimiques à haute valeur ajoutée dans les photo-bioréacteurs. Au croisement entre la matière active et la physique des fluides complexes, cette thèse vise à comprendre la réponse collective, à l’échelle d’une population, de la micro-algue photosynthétique modèle Chlamydomonas reinhardthii en présence de champs lumineux complexes dépendant de l’espace et du temps.

Dans un premier temps, la réponse phototactique de ces micro-organismes dans des suspensions diluées est caractérisée et s’avère être hautement sensible et non-linéaire.

Ensuite, nous montrons que la phototaxie peut être exploitée pour générer des écoulements macroscopiques auto-entretenus dans des suspensions peu profondes de Chlamydomonas reinhardtii en utilisant des motifs d’illumination spécifiques et en augmentant l’intensité des effets collectifs. Ces écoulements proviennent de l’accumulation locale, contrôlée par la lumière, des micro-algues qui ont une flottabilité négative. Cette accumulation entraîne des gradients de densité qui déclenchent des écoulements. Cette instabilité hydrodynamique est spécifique aux suspensions actives et est connue sous le nom de bioconvection. Dans ce régime, nous constatons que la population d’algues s’auto-organise en raison du couplage entre les écoulements auto-générés et la réponse phototactique non-linéaire et qu’elle subit de multiples brisures de symétrie.

Ensuite, une méthode de vélocimétrie par images de particules basée sur la fluorescence est développée pour permettre la quantification directe des écoulements de bioconvection dans une cellule de Hele-Shaw. L’amplitude et la structure de ces écoulements sont examinées pour la première fois et comparées à un modèle classique de bioconvection.

Enfin, nous présentons une étude préliminaire sur les effets de la bioconvection contrôlée par la lumière sur le taux de croissance des cultures de Chlamydomonas reinhardtii, avec pour objectif à long terme une application aux photobioréacteurs.

Light-induced flows and pattern formation in suspensions of phototactic microalgae

Abstract : The mechanism by which living organisms seek optimal light conditions, phototaxis, is a fundamental process for motile photosynthetic micro-organisms that rely on light to survive. Phototaxis is thus ultimately involved in virtually all natural processes and applications involving light-harvesting microbes, from bloom formation in aquatic environments to the diel vertical migration of phytoplankton, through the production of high-value chemical compounds in photobioreactors. At the crossing between active matter and complex fluid physics, this thesis aims at understanding the collective response, at the scale of a population, of the model photosynthetic micro-algae Chlamydomonas reinhardthii to complex space and time-dependent light fields.

In a first step, the phototactic response of these micro-organisms in dilute suspensions is characterized and is found to be highly sensitive and nonlinear.

Next, we show that phototaxis can be exploited to generate self-sustained macroscopic flows in moderately concentrated, yet shallow, suspensions of Chlamydomonas reinhardtii using specific illumination patterns. These flows originate from the light-controlled local accumulation of the micro-algae which are negatively buoyant. This in turn creates density gradients which drive fluid flows, a hydrodynamic instability specific to active suspensions and known as bioconvection. In this regime, we find that the algal population self-organizes as a result of the coupling between self-generated flows and nonlinear phototaxis and it undergoes multiple symmetry breaking instabilities.

Next, a fluorescence-based PIV setup is developed to allow for the direct quantification of bioconvective flows in a Hele-Shaw cell. The magnitude and structure of these flows are deciphered for the first time and contrasted with a classical model of bioconvection.

Finally, we present a preliminary study on the effects of light-controlled bioconvection on the growth-rate of Chlamydomonas reinhardtii cultures, with in mind an application to photobioreactors.​