Bacterial biomineralization of modern and fossil calcium and iron phosphates

• Auteur / Autrice : Julie Cosmidis
• Direction : Karim Benzerara, François Guyot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique

Fossiles

Phosphorite

Géomicrobiologie

Minéralisation (biologie)

Phosphates

Résumé

Le but de cette thèse est de préciser les mécanismes de formation bactérienne des phosphates de Ca et de Fe et les traces laissées par ce processus dans l'enregistrement géologique. Des outils ont été développés pour la caractérisation à l'échelle sub-micrométrique des phosphates de Ca grâce au STXM aux seuils L2,3- du Ca, L2,3- du P et K du C, avec des applications à l'étude des (bio-)minéraux phosphatés. Une étude expérimentale utilisant des souches d'Escherichia coli surexprimant la phosphatase alcaline PHO A a montré que la quantité de PHO A produite par les cellules est le principal facteur contrôlant la biominéralisation de phosphates de Ca. La phase minérale formée, une hydroxyapatite déficiente en Ca, a été caractérisée exhaustivement. Les textures minérales en association aves les bactéries ont été décrites, et l'évolution chimique de la solution au cours de la minéralisation modélisée. La formation actuelle de phosphates de Fe dans la colonne d'eau du lac Pavin a été associée à des activités bactériennes. L'oxydation du Fe2+ par des bactéries ferroxydantes en présence de fortes concentrations en phosphate inorganique (Pi) induit la précipitation de phosphates de Fe(II)-Fe(III) sous la redoxcline. Des bactéries accumulatrices de polyphosphates pourraient aussi être impliquées dans ce processus de phosphatogenèse. La caractérisation a l'échelle nanométrique de microfossiles dans une phosphorite récente de la marge péruvienne et un coprolite phosphaté du Paléocène du Maroc (-60 Ma) ont mis en évidence, par comparaison avec des études expérimentales, des traces texturales et chimiques laissées par des bactéries calcificantes dans ces roches.

We aimed at investigating the mechanisms of bacterial formation of Ca and Fe-phosphates and determining traces left by bacterial phosphogenesis in the geological record. Tools were developed allowing a submicrometer-scale characterization of Ça-phosphate (bio)minerals using STXM at the C K-, Ca L2,3- and P L2,3-edges. Experiments of Ca-phosphate precipitation by engineered E. Coli overexpressing the alkaline phosphatase PHO A showed that the amount of this enzyme produced by the cells is a major parameter controlling biomineralization. The mineralogy of the phase formed during these experiments, a Ca-deficient hydroxyapatite, was characterized by SEM, TEM, IR spectroscopy, STXM and NMR. The texture) patterns of the minerais formed in association with bacteria were described, and the chemical evolution of the solution during the course of mineralization was modeled. The modern formation of Fe-phosphates in the watercolumn of the meromictic Lake Pavin was shown to be linked with microbial activities. The oxidation of Fe2+ by Fe-oxidizing bacteria in the presence of high dissolved inorganic phosphate (Pi) concentrations may explain the formation of Fe(II)-Fe(III)-phosphates under the redoxcline. Polyphosphate-accumulating bacteria may participate as well in this process of phosphogenesis. The characterization at the nanometer-scale of microfossils present in a recent phosphorite frorr the Peruvian sheif and a Paleocene («60 Ma) phosphatic coprolite from Morocco shows textural and chemical traces of past calcified bacteria in these rocks, based on comparisons with bacterial fossilization experiments.