Thèse de Caroline Thaler | INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS

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Géochimie des isotopes stables

  Thèse de Caroline Thaler

Conversion microbienne du CO2 en carbonates : suivi isotopique des mécanismes
Encadrant (et co-encadrant) : 
François Guyot (MNHN, Paris, France)
Résumé: 


La composition isotopique en carbone et oxygène des carbonates solides est un bon traceur des conditions chimiques et physiques prédominant lors de leur précipitation. Cependant, l'interprétation de cet enregistrement peut être compliquée si ces carbonates ont été précipités par des organismes vivants. Le delta13Ccarbonate et/ou delta18Ocarbonate de certains organismes à squelette sont différents des compositions isotopiques prédites pour des carbonates précipités à l'équilibre thermodynamique ; ces anomalies sont appelées "effet vital". Dans le cas des carbonates formés par des procaryotes, que l'on trouve dans un nombre croissant d'environnements, le delta13Ccarbonate enregistre parfois des anomalies isotopiques d'origine métabolique. Le delta18Ocarbonate est quant à lui interprété comme un traceur des conditions environnementales sans influence métabolique possible sur sa valeur. Mon objectif est de réévaluer le potentiel du delta18O et delta13C des carbonates microbiens comme traceurs d'activité métabolique.

 

Nous avons réalisé des expériences de biominéralisation bactérienne, en mesurant tous les paramètres chimiques classiques ainsi que les delta13C et/ou delta18O du carbone inorganique dissous (DIC), de l'eau et des carbonates solides. La carbonatogenèse a été réalisée par Sporosarcina pasteurii, un modèle d'étude des bactéries du sol, qui utilise l’uréolyse, l'hydrolyse enzymatique de l'urée, en tant que source d'énergie. Cette réaction se traduit par une augmentation de l'alcalinité et de la concentration en DIC, ce qui provoque la précipitation de carbonates. Nous avons complété notre approche expérimentale par une modélisation numérique qui prend en compte les processus biogéochimiques et simule le comportement cinétique des espèces chimiques et isotopiques dans le système DIC.

 

Nos résultats montrent que le delta13Ccarbonate reflète l'accumulation progressive de carbonates précipités en équilibre isotopique avec le DIC, excepté pour un fractionnement cinétique d'environ 1‰ au début de la précipitation. Il n'y a pas eu de rééquilibration isotopique des carbonates avec le DIC au cours du temps. Une variabilité de ~5‰ dans les delta13Ccarbonate finaux a été enregistrée, et semble résulter des variations de l'état métabolique des bactéries d'après les modélisations. Le delta18Ocarbonate était 20 ‰ plus faible que le delta18O d'un carbonate précipité à l'équilibre avec l'eau, ce qui démontre pour la première fois que les bactéries peuvent précipiter des carbonates avec un effet vital isotopique sur l’oxygène. L'ajout d'anhydrase carbonique, une enzyme qui accélère les échanges isotopiques entre le DIC et l'eau, a donné lieu à un delta18Ocarbonate en équilibre avec l'eau. Cela démontre que l'effet vital observé résultait d'un déséquilibre isotopique entre le DIC et l'eau, soit à cause d'un delta18ODIC signé de la composition isotopique de l’urée initiale ou de fractionnements dans le processus d’uréolyse (effet métabolique), soit à cause d'un effet isotopique cinétique associée à l'hydroxylation du CO2 produit par l'uréolyse. Une étude complémentaire de la réaction d'hydroxylation du CO2 nous a permis de mieux contraindre ses effets isotopiques, mais cette étude doit encore être approfondie afin d'identifier les rôles respectifs de l'effet métabolique et de l'hydroxylation du CO2 dans l'acquisition de valeurs hors équilibre isotopique par les carbonates bactériens.

 

Globalement, ce travail démontre que l'utilisation combinée du delta13Ccarbonate et delta18Ocarbonate peut être un bon traceur de leur biogénicité y compris lorsqu’ils ont été biominéralisés par des micro-organismes procaryotes.

 

Date de soutenance: 
Mercredi 03 Décembre 2014 - 14:00
Jury: 
Christophe Lécuyer (Université Lyon 1) - Rapporteur; Dominique Blamart (LSCE) - Rapporteur; Claire Rollion Bard (IPGP) - Examinatrice; Jacques Schott (GET) - Examinateur; Jean Pierre Girard (Total) - Invité