Processus microbiens de biominéralisation et de détoxification des métaux/métalloïdes : oxydation du fer par des bactéries anaérobies neutrophiles et résistance au fer et à l'arsenic chez des eucaryotes unicellulaires de drainages miniers acides

Microbial processes of biomineralization and detoxification of metal/metalloids : iron oxidation by neutrophilic anaerobic bacteria and resistance to iron and arsenic of unicellular eukaryotes from acid mine drainages

• Auteur / Autrice : Jennifer Miot
• Direction : Sylvie Derenne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse spectrale

isolement et purification

Arsenic

Composés du fer

Composés du fer II

Composés du fer III

Oxydoréduction

Dépollution biologique de l'environnement

Résumé

Nous avons exploré les mécanismes permettant à des organismes procaryotes et eucaryotes de répondre au stress induit par la présence d'éléments toxiques comme l'arsenic et/ou par la précipitation de phases minérales au niveau des structures cellulaires. Notre étude a notamment impliqué le développement de techniques de microscopie et de spectroscopie adaptées à ces objets composites phases minérales - matière organique. Les deux souches procaryotes étudiées utilisent le Fe(II) comme donneur d'électrons en l'absence stricte d'Oa à pH neutre, ce qui conduit à la précipitation de phases riches en Fe(III) à distance des cellules ou au contact direct des structures cellulaires. Chez la souche phototrophe SW2, le fer précipite exclusivement dans le milieu extracellulaire le long de fibres lipo-polysaccharidiques. En revanche, chez la souche dénitrifiante BoFeNl, le fer précipite aussi massivement dans le périplasme des bactéries. Nous montrons que des structures cellulaires fines (peptidoglycane, périplasme) et des molécules organiques (globules protéiques) sont préservées dans ces cellules encroûtées qui constituent alors de stades précoces de microfossiles. D'autre part, l'étude d'eucaryotes unicellulaires présents dans des drainages miniers acides riches en Fe(II) et en arsenic a révélé une accumulation intracellulaire du fer par ces eucaryotes, découplée des mécanismes de détoxification de l'arsenic. Ces derniers procèdent par une étape de réduction de l'As(V) en As(III) suivie de sa complexation par des groupements thiols, mettant en jeu le cycle du glutathion, et enfin de l'export de l'As(III). Nous avons en outre montré que l'As(V) est plus toxique que l'As(III) chez ces eucaryotes. L'ensemble de nos résultats fournit des éclaircissements pour la compréhension des mécanismes de biominéralisation et de détoxification des métaux/métalloïdes par des microorganismes et ouvre également la perspective de rechercher des bio-signatpres potentielles de métabolismes spécifiques dans des échantillons naturels actuels ou anciens.

This work aimed at studying the response of microorganisms to toxic elements, such as arsenic and to the lethal effects of mineral precipitation within cellular structures. We applied microscopic and spectroscopic tools adapted to the study of these organic-mineral assemblages. In a first section, we studied two different bacterial strains, both using Fe(II) as an electron donor under strictly anoxic conditions at neutral pH. The phototrophic strain SW2 precipitated iron on lipo-polysaccharidic fibres only at distance from the cells, whereas the denitrifying strain BoFeNl precipitated iron within its periplasm. Ultrafine cellular structures and proteins were preserved within these encrusted cells that can be considered as microfossils. In a second section, we studied unicellular eukaryotes from a Fe and As-rich acid mine drainage. Iron accumulation within the cells was shown to be completely decoupled from the processes of arsenic detoxification. Arsenic detoxification starts with As(V) reduction to As(III), followed by its complexation by thiol groups, involving the glutathione pathway and leading to its export from the cell. However, we show that As(V) was more toxic to the cells than As(III). Our results altogether provide new insights on the mechanisms of microbial biomineralization and detoxification of metals/metalloids and opens new perspectives for the search of biosignatures of specific metabolisms.