Etude des processus de biominéralisation des sulfures de fer et des mécanismes de piégeage du nickel : contexte des sédiments de mangrove de Nouvelle-Calédonie

Study of the biomineralization processes of iron sulfides and the mechanisms of nickel sequestration : context of mangrove sediments from New Caledonia

• Auteur / Autrice : Maya, Devi Ikogou
• Direction : Farid Juillot, Georges Ona-Nguema
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 12/12/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : François Baudin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Quantin, Guillaume Morin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Charlet, Anniet Laverman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bactéries sulfato-réductrices

Sulfures de fer

Mangroves

Mots clés libres

Mangrove

Nouvelle-Calédonie

Bactéries sulfato-Réductrices

Sulfure de fer

Nickel

Mangrove

New caledonie

Sulfate-reducing bacteria

Résumé

Ces travaux de thèse avaient pour objectifs (i) d’étudier le comportement du fer et du nickel au cours de la biominéralisation de sulfures de fer par des bactéries sulfato-réductrices et (ii) de tenter une première estimation de l’influence de l’exploitation minière sur les communautés microbiennes des sédiments de mangrove de Nouvelle-Calédonie. Pour atteindre ces objectifs, des expériences d’incubation ont été conduites en anoxie avec une espèce unique de bactérie (thio)sulfato-réductrice (i.e. Desulfovibrio capillatus) et avec un consortium de bactéries sulfato-réductrices natives de sédiments de mangrove de Nouvelle-Calédonie. Ces expériences ont été réalisées avec différentes sources de Fe(III) (i.e. goethite, ferrihydrite et citrate-ferrique) et en présence de nickel structural ou en solution. Les résultats montrent que l’activité bactérienne sulfato-réductrice (qu’elle soit synergique ou issue d’une espèce unique) conduit, dans toutes les expériences, à la formation principale de mackinawite (FeS). Ce sulfure de fer précipite sous forme de cristallites nanométriques et dont la cristallinité augmente avec la durée d’incubation. Lorsque le nickel est présent en solution, la quasi-totalité de cet élément peut se substituer au fer (i.e. substitution 4% molaire) dans la structure de la mackinawite. Ainsi, la formation d’une faible proportion de mackinawite permet de fixer la quasi-totalité du nickel initialement en solution (e.g. ratio FeS:Ni de 1). Ce mécanisme semble stable sur le long terme (pas de relargage de nickel en solution) et il accélère la croissance cristalline de la mackinawite, ce qui engendre une stabilité accrue de ce minéral. Ces résultats soulignent le rôle efficace des bactéries sulfato-réductrices dans la formation des sulfures de fer de type mackinawite et dans le piégeage du nickel, suggérant une stabilisation de cet élément dans les sédiments de mangrove et la limitation de sa biodisponibilité. Ceci pourrait expliquer les résultats de l’étude comparative des consortiums bactériens autochtones qui ne permet pas de déceler d’impact de l’activité minière sur les communautés bactériennes sulfato-réductrices présentes en Nouvelle-Calédonie.

The aims of the present work were (i) to study the behavior of iron and nickel in the biomineralization of iron sulfides by (thio)sulfate-reducing bacteria and (ii) to estimate the influence of open-cut mining activities on microbial communities development in mangrove sediments in New Caledonia. To achieve these objectives, incubation experiments were conducted under anoxic conditions with the (thio)sulfate-reducing bacteria (i.e. Desulfovibrio capillatus) and a consortium of sulfate-reducing bacteria native mangrove sediments of New Caledonia. These experiments were carried out with different Fe(III) precursors (i.e. goethite, ferrihydrite and ferric citrate) and in the presence of structural or soluble nickel. The results show that the sulfate-reducing bacterial activity leads, in all experiments, to the formation of mackinawite (FeS). This iron sulfide precipitates as nanosized crystallites that increase in size with incubation time. When nickel is present in solution, the total soluble amount can be substituted to iron (i.e. replacing 4 mol%) in the structure of mackinawite. Thus, the formation of a small proportion of mackinawite scavenged total soluble amount of nickel initially present in solution (e.g. FeS:Ni ratio of 1). This sequestration mechanism appears to be stable over time (no nickel was released in solution) and accelerates the crystal growth of mackinawite, leading to the stabilization of this mineral. These results highlight the effective role of sulfate-reducing bacteria in the biomineralization of iron sulfides such as mackinawite and in the sequestration of nickel, suggesting a stabilization of this element in mangrove sediments and limitation of its bioavailability. These results could explain the absence of negative impact of open-cut mining activities on the sulfate-reducing bacterial communities present in New Caledonia.