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Contrôles biologiques, structurels et chimiques de la minéralisation du manganèse

Début : 01 octobre 2018

Fin : 11 juillet 2022

Equipe(s) liée(s) :
Géomicrobiologie

Statut : Soutenue

Dans les milieux naturels, les microorganismes sont majoritairement organisés sous la forme de biofilms, composés de cellules microbiennes et de polymères extracellulaires auto-sécrétés. La structuration particulière qui résulte de cette organisation tridimensionnelle et l’activité microbienne au sein de ces biofilms permettent de maintenir des microenvironnements aux propriétés physico-chimiques potentiellement très contrastées, notamment des sursaturations locales capables d’induire une biominéralisation. Bien que la formation de minéraux induite par les microorganismes soit centrale en géochimie, notamment pour le cycle des métaux, les mécanismes de biominéralisation au sein des biofilms restent mal compris, en particulier leur lien avec les propriétés physico-chimiques locales de ces structures.

Ce travail de thèse s’est saisi de l’exemple de la formation des oxydes de manganèse (Mn) induite par les microorganismes pour l’étude des processus de biominéralisation dans les biofilms. Ce choix a été motivé par le fait que ces oxydes jouent un rôle environnemental central dû à leur caractère oxydant très fort, leur permettant de contrôler partiellement le devenir des métaux, pour certains toxiques, sensibles aux conditions redox.

À ce titre, une étude de laboratoire impliquant la mise en œuvre de la microscopie confocale à balayage laser a d’une part permis de relier la nature et la structure de biofilms avec les propriétés physico-chimiques des microenvironnements associés ayant un impact potentiel sur la formation des oxydes de Mn. Cette étude préliminaire était basée sur l’utilisation de mutants d’Escherichia coli présentant un métabolisme identique mais générant des biofilms aux propriétés structurelles et chimiques différentes. D’autre part, afin de déterminer l’impact des surfaces biologiques des biofilms lors de la nucléation et de la croissance des oxydes de manganèse, des billes de polystyrène sur lesquelles ont été greffées des fonctions chimiques variées ont été utilisées. Dans ce cadre, l’emploi de la microscopie électronique en transmission en milieu liquide, dont l’utilisation est encore peu répandue dans le domaine de la géobiologie, a permis le suivi in situ (en environnement liquide) des différentes étapes de la minéralisation du manganèse pour dix types de fonctions chimiques et polymères. Ainsi, deux régimes de croissance minérale aux cinétiques variées ont pu être mis en évidence pour l’ensemble des fonctionnalisations, avec une croissance initiale homogène qui évolue dans un second temps vers une croissance dendritique des oxydes de manganèse. Cette dynamique est fortement dépendante de la nature des polymères greffés et des fonctions qu’ils portent, et il a pu être montré qu’elle est liée à la densité de charge sur ces surfaces biologiques, à leur affinité chimique avec le Mn, ainsi qu’à des paramètres stériques. Enfin, la pertinence environnementale de cette étude de biominéralisation à l’échelle du biofilm a été testée à l’échelle plus large d’un site minier de Nouvelle-Calédonie, riche en Mn, en couplant des approches de minéralogie, géochimie et écologie microbienne.

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