Mécanisme de biomeniralisation de la pyrite en condition contrôlée et fractionnement isotopique de fer associé. Influence des éléments traces métalliques/métalloïdes.

Mechanism of biomeniralization of pyrite under controlled conditions and associated iron isotope fractionation. Influence of metallic/metalloid trace elements.

• Auteur / Autrice : Zineb Laib
• Direction : Georges Ona nguema, Franck Poitrasson
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biogéoscience
• Date : Inscription en doctorat le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Minéralogie environnementale

Mots clés

Mots clés libres

Bioméniralisation

Pyrite

Fer

Isotopie

Minéralogie

Eléments traces

Biomeniralization

Pyrite

Iron

Isotope

Mineralogy

Trace elements

Résumé

Les éléments traces métalliques/métalloïdes (ETM) sont naturellement présents en quantités variables dans tous les compartiments de l'environnement. En fonction de leur concentration et de leur spéciation chimique, ces ETM peuvent s'avérer toxiques et menacer l'équilibre naturel des écosystèmes. Pour limiter leur dispersion dans les écosystèmes, leur immobilisation par piégeage dans la structure de biominéraux tels que les sulfures de fer, et en particulier la pyrite, apparaît comme une solution avantageuse et éco-compatible. Dans le cadre de l'ANR PYRISOFE, qui s'intéresse à l'enregistrement du signal isotopique du fer lors de la formation de la pyrite en présence d'éléments traces d'intérêt, le projet de thèse de doctorat vise à étudier les mécanismes qui contrôlent la formation de la pyrite par voie microbienne et à enregistrer le signal isotopique du Fe associé. En effet, malgré sa présence dans divers contextes sédimentaires, les processus qui gouvernent la biominéralisation de la pyrite à pH neutre dans des conditions environnementales, en particulier à l‘échelle moléculaire, sont encore mal décrits dans la littérature, alors même que ces mécanismes pourraient avoir une forte influence sur la diversité de fractionnement isotopique du fer mesurée dans les archives sédimentaires et les environnements de surface. La thèse sera focalisée dans un premier temps sur la caractérisation et l'utilisation concomitante des activités microbiennes (ferri-réduction, production de sulfures et sulfo-oxydation) conduisant à la biominéralisation de pyrites en présence de métaux/métalloïdes toxiques (e.g. Ni, Cr, Co, As, Sb) par le biais de dispositifs expérimentaux spécifiques développés au laboratoire et dont l'étude préalable a montré le potentiel, et sur la mesure des isotopes du fer des différentes composantes minérales du système en collaboration avec des chercheurs du GET Toulouse (Franck Poitrasson, Romain Guilbaud, Marc Blanchard). Dans un second temps, le travail portera sur l'étude spatio-temporelle en 3 dimensions des relations entre les bactéries, les sulfures de fer et les ETM dans notre système expérimental. La spéciation des éléments et des phases minérales sera étudiée en utilisant la diffraction des rayons X, la microscopie électronique associée à la microanalyse (MEB, Cryo-FIB-MEB et MET-EDXS), ainsi que l'absorption des rayons X et possiblement la tomographie sur dispositif de rayonnement synchrotron. Ces travaux donneront des pistes pour expliquer les modalités d'acquisition du signal isotopique du fer et sa signification en conditions environnementales propices à la formation des sulfures de fer, et permettront également d'envisager des stratégies de bioremédiation éco-compatibles pour limiter la dispersion des ETM dans les milieux contaminés.

Metallic/metalloid trace elements (ETM) are naturally present in varying amounts in all sedimentary contexts. Depending on their concentration and their chemical speciation, these ETMs can be toxic and potentially threaten the natural balance of ecosystems. To limit their dispersion in the environment, their immobilization by trapping within biominerals such as iron sulfides, and in particular pyrite, appears to be an advantageous and eco-compatible solution. As part of the ANR PYRISOFE, which is dedicated to the understanding of the acquisition of iron isotopic signal during the formation of pyrite in the presence of trace elements of interest, the PhD project aims to study the mechanisms which control the biogenic formation of pyrite and their impact on Fe isotopes fractionation. Indeed, despite its presence in various sedimentary contexts, the processes that govern the biomineralization of pyrite at neutral pH under environmental conditions, in particular at the molecular scale, are still poorly described in the literature, even though these mechanisms could have a strong influence on the diversity of iron isotope signatures measured in sedimentary archives of sedimentary environments. The PhD project will initially focus on (1) the characterization and concomitant use of microbial activities (ferri-reduction, sulfide production and sulfo-oxidation) leading to the biomineralization of pyrites in the presence of toxic metals/metalloids (e.g. Ni, Cr, Co, As, Sb) using specific experimental devices developed in the laboratory and whose prior study has shown the potential, and (2) on the measurement of iron isotopes of the different mineral components of the system in collaboration with researchers from GET Toulouse (Franck Poitrasson, Romain Guilbaud, Marc Blanchard). In a second step, the experimental work will focus on the spatio-temporal study in 3 dimensions of the relationships between bacteria, iron sulfides biominerals and ETM in our experimental system. The speciation of elements and mineral phases will be studied using X-ray diffraction, electron microscopy associated with microanalysis (SEM, Cryo-FIB-SEM and TEM-EDXS), as well as X-ray absorption and possibly synchrotron-based X-Ray tomography. This work will provide leads for explaining the processes responsible for the acquisition of the isotopic signal of iron and its significance in environmental conditions propitious to the formation of iron sulfides, and will also make it possible to consider eco-compatible bioremediation strategies to limit the dispersion of ETM in contaminated environments