Biominéralisation microbienne des silicates de magnésium : acteurs, mécanismes et traces fossiles

Axe 1 - Biominéralisation

Thèse d’Alexis De Wever

Travail de recherche initié le 1^er octobre 2016.

Laboratoires co-porteurs

• Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC)
  Porteur du projet : Karim Benzerara 
  Équipe : BIOMIN
• Laboratoire d’archéologie moléculaire et structurale
  Co-encadrant : Maguy Jabert
  Équipe : Composites molécules organiques – argiles et analogues
• Ecologie, Systématique et Evolution
  Co-encadrant : Purificación López-García
  Equipe : Diversité, Ecologie et Evolution Microbiennes

Résumé

Cette thèse vise à avancer dans la compréhension de la formation des silicates de magnésium hydratés et la possible voie de formation biotique de ces phases minérales. Un nombre croissant d’études a proposé l’implication de microorganismes dans la formation de phases silicatées magnésiennes hydratées, souvent mal cristallisées, notamment comme première étape dans la formation de microbialites. Pourtant, la démonstration expérimentale n’en a pas encore été faite ; de plus, l’ampleur de ce processus, la distribution phylogénétique de la capacité à biominéraliser, les mécanismes moléculaires et enfin l’impact sur les microorganismes impliqués restent inconnus.

Les cyanobactéries, bactéries capables de réaliser la photosynthèse oxygénique, sont de bonnes candidates pour la formation des silicates de magnésium du fait qu’elles ont tendance à augmenter en présence de lumière le pH de leur environnement. Ainsi, dans un premier volet de la thèse, des cultures axéniques de souches modèles de cyanobactéries ont été réalisées afin d’entrer plus précisément dans le détail des mécanismes impliqués grâce à un système contrôlé biologiquement et chimiquement. Il est notamment question de comprendre si seuls les paramètres [Mg²⁺], [H₄SiO₄] et pH permettent de déterminer si la précipitation a lieu ou non, ou bien si d’autres espèces chimiques (e.g., molécules organiques, alcalinité, PO₄^3-) peuvent empoisonner ou au contraire favoriser la cinétique de précipitation.

Dans un deuxième volet de la thèse, nous étudions la précipitation de silicates de Mg par des biofilms contenant une diversité microbienne complexe. Ces biofilms ont été obtenus en cultivant dans des aquariums du laboratoire des populations microbiennes échantillonnées dans des lacs alcalins mexicains où la présence de silicates de magnésium a été rapportée. Nous avons mis en évidence la formation de silicates dans ces biofilms. L’objectif est désormais de déterminer si des microorganismes jouent un rôle plus important que d’autres dans la formation des silicates de magnésium et lesquels, ainsi que d’évaluer l’importance des EPS vs des surfaces cellulaires dans la nucléation des phases silicatées.

(Fig.A) Image en STEM-HAADF de cellules de Synechocystis sp. PCC 6803 et d’un précipité de silicate de Mg après 815 heures d’incubation dans un milieu de culture de type BG11 auquel a été ajouté une source de silice. (Fig.B) cartographie élémentaire par STEM-EDX : en bleu, le carbone ; en rouge, la silice et en vert, le magnésium. (Fig.C) Spectre EDX de l’ensemble du précipité.

Publications

• Alexis de Wever, Karim Benzerara, Margot Coutaud, Géraldine Caumes, Melanie Poinsot et al.
  Evidence of high Ca uptake by cyanobacteria forming intracellular CaCO3 and impact on their growth
  Geobiology, Wiley, 2019
  DOI : 10.1111/gbi.12358
  HAL Id : hal-02285144v1