Contrôles biologiques, structurels et chimiques sur la minéralisation du manganèse

Biological, structural, and chemical controls on manganese mineralization

• Auteur / Autrice : Charlotte Dejean
• Direction : Alexandre Gelabert, Bénédicte Ménez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 11/07/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Van Hullebusch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Gelabert, Bénédicte Ménez, Eric Van Hullebusch, Pascale Bénézeth, Christophe Dupraz, Julie Cosmidis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascale Bénézeth, Christophe Dupraz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrice de substances polymériques extracellulaires

Microscopie électronique en transmission

Biofilms

Oxydes de manganèse

Minéralisation (biologie)

Mots clés libres

Biominéralisation

Oxydes de manganèse

Biofilms bactériens

Substances polymériques extracellulaires

Scories minières

Microscopie électronique à balayage en transmission en milieu liquide

Microscopie confocale à balayage laser

Biomineralization

Manganese oxides

Bacterial biofilms

Extracellular polymeric substances

Slags

Liquid-Cell scanning transmission electron microscopy

Confocal laser scanning microscopy

Résumé

Dans les milieux naturels, les microorganismes sont majoritairement organisés sous la forme de biofilms, composés de cellules microbiennes et de polymères extracellulaires auto-sécrétés. La structuration particulière qui résulte de cette organisation tridimensionnelle et l'activité microbienne au sein de ces biofilms permettent de maintenir des microenvironnements aux propriétés physico-chimiques potentiellement très contrastées, notamment des sursaturations locales capables d'induire une biominéralisation. Bien que la formation de minéraux induite par les microorganismes soit centrale en géochimie, notamment pour le cycle des métaux, les mécanismes de biominéralisation au sein des biofilms restent mal compris, en particulier leur lien avec les propriétés physico-chimiques locales de ces structures. Ce travail de thèse s'est saisi de l'exemple de la formation des oxydes de manganèse (Mn) induite par les microorganismes pour l'étude des processus de biominéralisation dans les biofilms. Ce choix a été motivé par le fait que ces oxydes jouent un rôle environnemental central dû à leur caractère oxydant très fort, leur permettant de contrôler partiellement le devenir des métaux, pour certains toxiques, sensibles aux conditions redox. À ce titre, une étude de laboratoire impliquant la mise en œuvre de la microscopie confocale à balayage laser a d'une part permis de relier la nature et la structure de biofilms avec les propriétés physico-chimiques des microenvironnements associés ayant un impact potentiel sur la formation des oxydes de Mn. Cette étude préliminaire était basée sur l'utilisation de mutants d'Escherichia coli présentant un métabolisme identique mais générant des biofilms aux propriétés structurelles et chimiques différentes. D'autre part, afin de déterminer l'impact des surfaces biologiques des biofilms lors de la nucléation et de la croissance des oxydes de manganèse, des billes de polystyrène sur lesquelles ont été greffées des fonctions chimiques variées ont été utilisées. Dans ce cadre, l'emploi de la microscopie électronique en transmission en milieu liquide, dont l'utilisation est encore peu répandue dans le domaine de la géobiologie, a permis le suivi in situ (en environnement liquide) des différentes étapes de la minéralisation du manganèse pour dix types de fonctions chimiques et polymères. Ainsi, deux régimes de croissance minérale aux cinétiques variées ont pu être mis en évidence pour l'ensemble des fonctionnalisations, avec une croissance initiale homogène qui évolue dans un second temps vers une croissance dendritique des oxydes de manganèse. Cette dynamique est fortement dépendante de la nature des polymères greffés et des fonctions qu'ils portent, et il a pu être montré qu'elle est liée à la densité de charge sur ces surfaces biologiques, à leur affinité chimique avec le Mn, ainsi qu'à des paramètres stériques.

In natural environments, microorganisms are mostly organized in the form of biofilms, composed of microbial cells and self-secreted extracellular polymers. The resulting three-dimensional organization and the microbial activity within these biofilms allow to maintain microenvironments with potentially highly contrasted physicochemical properties, including local supersaturation capable of inducing biomineralization. Although the formation of minerals induced by microorganisms is central in geochemistry, especially for metal cycling, the mechanisms of biomineralization within biofilms remain poorly understood, in particular their link with the local physicochemical properties of these structures. This PhD work took the example of the formation of manganese (Mn) oxides induced by microorganisms to study biomineralization processes in biofilms. This choice was motivated by the central role played by Mn oxides and their strong oxidizing capability in the environment, notably in partially controlling the fate of metals, for some toxic, sensitive to redox conditions. A laboratory study involving confocal laser scanning microscopy has first allowed to link the nature and structure of biofilms with the physicochemical properties of the microenvironments they host, potentially impacting Mn oxide formation within biofilms. This preliminary study was based on the use of Escherichia coli mutants with identical metabolism but generating biofilms with different structural and chemical properties. Second, in order to determine the impact of biological surfaces found in biofilms on the nucleation and growth of manganese oxides, polystyrene beads on which various chemical functions have been grafted have been designed. The use of liquid cell transmission electron microscopy, still not widely used in the field of geobiology, has allowed the in situ monitoring (in liquid environment) of the different stages of manganese mineralization for ten types of chemical and polymeric functions. Two regimes of mineral growth with varied kinetics could notably be highlighted for all functionalizations, with an initial homogeneous growth which evolves towards a dendritic growth of manganese oxides. This dynamic strongly depends on the nature of the grafted polymers and the functions they carry, notably their surface charge density, their chemical affinity with Mn, in addition to steric parameters.