Conversion microbienne du CO2 en carbonates : Suivi isotopique des processus

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 d13Ccarbonate et/ou d18Ocarbonate de certains organismes à squelette sont différents des compositions isotopiques prédites pour des carbonates précipités à l'équilibre ; 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 d13Ccarbonate enregistre parfois des anomalies isotopiques d'origine métabolique. Le d18Ocarbonate 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 d18O et d13C 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 d13C et/ou d18O 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 d13Ccarbonate 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 d13Ccarbonate finaux a été enregistrée, et semble résulter des variations de l'état métabolique des bactéries d'après les modélisations. Le d18Ocarbonate était 20 ‰ plus faible que le d18O 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 l'anhydrase carbonique, une enzyme qui accélère les échanges isotopiques entre le DIC et l'eau, a donné lieu à un d18Ocarbonate 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 d18ODIC 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 d13Ccarbonate et d18Ocarbonate peut être un bon traceur de leur biogénicité y compris lorsqu’ils ont été biominéralisés par des micro-organismes procaryotes. Abstract The carbon and oxygen stable isotope composition of carbonates are known to record information on the chemical and physical conditions having prevailed during their precipitation. However, the interpretation of this record can be complicated when carbonates are precipitated by living organisms. d13Ccarbonate and/or d18Ocarbonate of some skeleton-forming organisms show characteristics commonly referred to as vital effects that differ from those predicted by isotope equilibrium. In the case of procaryotes mediated carbonates, which are found in a growing number of environments, d13Ccarbonate sometimes records a metabolic activity, while d18Ocarbonate is usually interpreted as recording environmental conditions with no metabolic imprint. My aim was to reassess the potential of both O and C isotope compositions in microbial carbonates as proxies for a metabolic activity. We performed bacterial biomineralization experiments, monitoring conventional chemical parameters along with C and/or O isotopic composition of dissolved inorganic carbon (DIC), water and solid carbonates. Carbonatogenesis was performed by Sporosarcina pasteurii, a model soil bacterium that uses ureolysis, the enzymatic hydrolysis of urea, as energy source. This reaction results in increased alkalinity and DIC concentration and subsequent carbonate precipitation. We complemented our experimental approach with a closed-system box model that accounts for those biogeochemical processes and simulates the kinetic behavior of chemical and isotopic species in the DIC system. Our results evidenced that d13Ccarbonate reflects the progressive accumulation of carbonates precipitated in isotope equilibrium with the DIC, except for a kinetic fractionation of ~1‰ at the onset of precipitation. No isotope reequilibration of the precipitated carbonates with DIC occurred with time. A variability of ~5‰ in the final ?13Ccarbonate values was recorded, which can be modeled as resulting from variations in the bacterial metabolic state. d18Ocarbonate results showed values up to 20‰ lower than expected for carbonate precipitation in equilibrium with water, demonstrating for the first time that bacteria may precipitate carbonates with an oxygen isotopes vital effect. The addition of carbonic anhydrase, an enzyme accelerating the equilibration of O isotopes between DIC and water, resulted in d18Ocarbonate in equilibrium with water. This shows that the vital effect results from a disequilibrium between DIC and water, either due to the initial oxygen isotopic signature of the dissolved inorganic carbon generated by ureolysis (metabolic effect) or to a kinetic isotope effect associated to the hydroxylation of CO2 produced by ureolysis. A complementary study of O isotope fractionations associated with the CO2 hydroxylation reaction in an abiotic setup allowed us to better constrain its isotopic effects, but further investigations are still needed in order to decipher the respective roles of metabolic effect and CO2 hydroxylation in the acquisition of non-equilibrium values of oxygen isotopes in bacterial carbonates. Overall this work demonstrates that the combined use d13C and d18O in solid carbonates may be a good tracer of their biogenicity, including the case they are biomineralized by prokaryotic micro-organisms