Exploration multi-échelle de l’électroactivité bactérienne au travers de l’étude de la biocorrosion du fer

Multiscale exploration of bacterial electroactivity through the study of iron biocorrosion

• Auteur / Autrice : Marion Lherbette
• Direction : Eric Raspaud, Christian Marlière, Christophe Regeard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/07/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Giuseppe Foffi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Jorand, Régine Basséguy, Céline Remazeilles, Sigolène Lecuyer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Jorand, Régine Basséguy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Analyse multiéchelle

Corrosion

Biophysique

Bioélectrochimie

Bactéries

Mots clés libres

Electroactivité

Biophysique

Bactéries

Analyse multi-échelle

Nanofilm

Corrosion

Electroactivity

Biophysics

Bacteria

Multiscale approaches

Nanofilm

Corrosion

Résumé

La mise en évidence de la capacité des bactéries à transporter des électrons à l’extérieur de leur cellule a ouvert tout un nouveau champ de recherche aussi bien fondamentale, sur l’électroactivité bactérienne, qu’appliquée à la bioremédiation de polluants ou la fabrication de biopiles. Ce travail de thèse propose d’observer expérimentalement les mécanismes mis en jeu au cours de ces transferts extracellulaires d’électrons, principalement au travers de l’étude de la biocorrosion du fer. La bactérie anaérobie facultative modèle, Shewanella oneidensis MR-1, connue pour son électroactivité et sa capacité à réduire le fer ferrique, a été choisie. L’originalité de l’approche expérimentale proposée ici réside dans l’utilisation de nanofilms de fer (10nm d’épaisseur) permettant de visualiser, in situ et en temps réel, les bactéries au cours du processus de corrosion tout en suivant optiquement la dégradation de la couche de fer qui en résulte. Ces nanofilms, partiellement transparents, sont obtenus par évaporation thermique et ont été caractérisés par différentes techniques complémentaires (XPS, AFM, réflectivité X, résistivité et absorbance optique). Elles indiquent une surface de rugosité sub-nanométrique, homogène et composée, sur les premiers nanomètres, d’une couche passivante d’oxydes de Fe(II) et Fe(III) recouvrant entièrement le Fe(0). La construction d’un montage optique, combiné à des mesures de courant électrique et de potentiel en circuit ouvert, nous permettent de suivre, pas à pas, la dégradation du fer au contact d’une solution bactérienne. En seulement quelques heures, après une première étape dite « phase d’initiation », la corrosion homogène et uniforme du Fe(0) est observée. Afin de comprendre l’origine de cette phase d’initiation, la concentration initiale en bactéries, l’environnement chimique ou encore les espèces bactériennes (E.coli, L.plantarum) ont été modifiées. Les résultats suggèrent que, par des processus directs, comme l’utilisation de fer ferrique en tant que dernier accepteur d’électrons dans la chaîne respiratoire, ou indirects, comme la production de molécules corrosives, les bactéries induisent la dégradation de la couche passive d’oxyde de fer. Le Fe(0), alors au contact de la solution aqueuse, s’oxyde chimiquement. Des observations de microscopie optique in situ ont également permis de suivre la localisation et la dynamique des bactéries au voisinage de la surface de fer avant, pendant et après la corrosion. En parallèle, des études aux échelles locale et génomique ont été initiées. Dans l’idée de cartographier, via un microscope à force atomique, la charge à la surface des bactéries, un protocole d’adhésion des bactéries à un substrat conducteur (sans traitement chimique) est à l’étude.

The observation of bacteria ability to perform external electron transfer open up a broad field of researches at both fundamental (concerning bacterial electroactivity) and applied level (regarding contaminant bioremediation or microbial fuel cells technology). In this PhD thesis, we explore bacterial mechanisms involved in this phenomenon mainly through the study of iron biocorrosion. This work focuses on the facultative anaerobe bacterium, Shewanella oneidensis MR-1, known for its electroactivity and its ability to reduce ferric iron. The novel approach proposed here lies in the use of iron nanofilm (10 nm thick) allowing the real time and in situ visualization of bacterial action during the corrosion process. These thermally evaporated nanofilms, partially transparent, were characterized thanks to different complementary techniques (XPS, AFM, X-ray reflectivity, resistivity and optical absorbance). Data suggest a homogeneous nanorugose surface mainly composed, in the first nanometers, of iron (II) and (III) oxides. This observation highlights the formation of a passive iron oxide nanooverlayer which totally covered the underlying iron(0). An optical set-up, combined with electrical current and open circuit potential measurements, enables monitoring the iron degradation in contact with bacterial solution. Within few hours, we observe after an initiation phase an homogeneous and uniform corrosion of the iron(0) underlayer. Different experiments have been performed to understand which parameters drive this initiation phase. Inoculum bacterial turbidity, chemical environment and bacterial species (E.coli, L.plantarum) have been modified. Results suggest that, through direct processes (such as the use of iron as last electron acceptor in respiratory chain) or indirect ones (through secretion of corrosive molecules) bacteria induce the degradation of the oxide overlayer. Consequently, the chemical oxidation of iron(0), in contact with the aqueous solution, occurs. Additionally, the in situ tracking of bacteria localized near the iron surface thanks to an optical microscope allow the determination of bacterial dynamic before, during and after the corrosion process. At the same time, local and genomic scales studies were initiated. In order to map the bacterial surface charge density with an atomic force microscope, we started to build up a protocol to control bacterial adhesion onto a conductive substrate (without any chemical treatment).