Formation et stabilité des hydroxysels Fe(II-III) de type rouille verte en cultures bactériennes

par Asfaw Zegeye

Thèse de doctorat en Biologie santé environnement. Chimie et microbiologie de l'eau

Sous la direction de Jean-Claude Block.


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  • Résumé

    Dans l'environnement, le Fe(III) solide peut jouer un rôle d’accepteur final d’électrons lors de la respiration anaérobie de bactéries ferriréductrices telle que Shewanella putrefaciens. Le Fe(II) issu de cette bioréduction conduit entre autre, à la formation, dans le milieu extra-cellulaire, de minéraux comme les hydroxysels Fe(II-III) appelés rouilles vertes (RV). Les RV sont présentes aussi bien dans des sols hydromorphes que dans les produits de corrosion de l'acier en milieu aqueux ou dans les canalisations d'eau de consommation. Ces minéraux présentent un intérêt particulier en biogéochimie parce qu'ils sont très réactifs avec des polluants organiques ou inorganiques mais parce qu'ils contrôleraient la concentration en Fe2+ en solution. La formation de ces minéraux à la surface des matériaux ferreux accélérerait par ailleurs leur corrosion. Au laboratoire, la bioréduction d'un oxyhydroxyde ferrique, la lépidocrocite(g-FeOOH), conduit à la formation soit de la RV1(CO32-), soit de la magnétite (Fe3O4). Par ailleurs, la bio-formation de RV2(SO42-) (la RV retrouvée dans les sites de corrosion marine) est observée en mélange avec la RV1(CO32-). Toutefois, les facteurs microbiens et physico-chimiques contrôlant la formation de ces minéraux ne sont pas clairement établis. Les objectifs de ce travail de thèse sont alors : i) de caractériser les facteurs microbiens et/ou physico-chimiques qui gouvernent la formation de la RV et de la magnétite au cours de la respiration anaérobie d’un oxyhydroxyde ferrique ; ii) d’établir les conditions dans lesquelles la RV2(SO42-) se forme sous l'action des bactéries ferriréductrices ; et enfin iii) de définir les voies par lesquelles une activité microbienne, notamment l'activité sulfato-réductrice, peut déstabiliser ces minéraux. Les résultats expérimentaux obtenus dans ce travail proposent le ratio [cellules]/[lépidocrocite] comme étant le paramètre clé contrôlant la formation des rouilles vertes versus la magnétite. Et se basant sur les calculs thermodynamiques, nous avons constaté que la relation Eh / pH (diagramme de Pourbaix) dépend bien de la nature des minéraux formés, GR et magnétite. Cependant, cette approche ne peut être utilisée pour prédire sans ambiguïté la nature de l'un ou de l'autre minéral qui se formera. Par ailleurs, sur la base d'analyses en microscopie confocale, différentes structures d'agrégats sont observées qui dépendent du ratio cellule / lépidocrocite. Ainsi, une structure d'agrégats « ouverts », peu compacte, est associée à la formation de magnétite. A l'inverse, la précipitation de la RV1(CO32-) est constatée en présence d'agrégats présentant une compacité significativement supérieure. La limite diffusionnelle des espèces chimiques imposée par l'architecture des agrégats gouvernerait la nature du minéral biogénique, RV ou magnétite, se formant au cours de la bioréduction. Les conditions expérimentales conduisant à la précipitation d'une RV2(SO42-) en culture bactérienne, sans mélange avec d'autres phases minérales, impliquent l'utilisation de sources d'électrons non carbonées telles que l'H2 pour permettre la formation exclusive de la RV2(SO42-). Ainsi, Shewanella putrefaciens, en étant capable de métaboliser cette source d'électrons, peut être un acteur essentiel de la formation des rouilles vertes sulfatées en milieu marin. Enfin, nous montrons que les sulfates, les anions insérés entre les feuillets des RV2(SO42-) sont bio-disponibles en tant qu'accepteurs d'électrons pour des bactéries sulfato-réductrices, conduisant à la transformation du minéral. En conclusion, ce travail souligne l'importance de l'activité bactérienne dans la formation de minéraux hydroxysels de type rouille verte. Il montre en particulier que les microorganismes non seulement sont susceptibles de fournir le Fe(II) nécessaire à la réaction, mais peuvent agir, indirectement, sur la nature du minéral formé en modifiant la structure des agrégats constitués de particules d'oxyde de fer et de cellules bactériennes. Cette observation permet de définir parfaitement les conditions nécessaires à la formation de rouilles vertes ou de magnétite issues de l'activité bactérienne ferriréductrice. D'une manière générale, elle suggère en outre que l'organisation des particules, dans un sol par exemple, doit être un facteur à prendre en compte dans la formation des minéraux. Enfin, la bio-formation de RV2(SO42-) par les bactéries ferriréductrices et sa dissolution par réduction des anions sulfates par les bactéries sulfatoréductrices, montre qu’une association est possible entre ces deux bactéries via les RV2(SO42-) durant la biocorrosion en milieu marin, pouvant expliquer leur présence simultanée de ces deux groupes de bactéries sur les sites corrodés. Les principales avancées apportées par ce travail peuvent se résumer ainsi : i) Les bactéries sont capables de conduire à la formation aussi bien de rouilles vertes de type 1 (RV carbonatée) que de rouilles vertes de type 2 (RV sulfatée). Ii) les RV ne doivent plus être considérées comme simplement des produits possibles de l'activité bactérienne, mais aussi comme des substrats pour l'activité bactérienne, en jouant le rôle de réservoir de sulfates, des accepteurs potentiels d'électrons pour les bactéries sulfatoréductrices, iii) la bioréduction de la lépidocrocite, un oxyhydroxyde de fer, conduit soit à de la magnétite, soit à de la RV carbonatée selon la capacité des cellules bactériennes à former des agrégats. Ainsi, nous montrons que le rôle des bactéries dans la biogenèse de minéraux issue de la réduction d’oxydes de fer, ne se limite pas à fournir des ions Fe2+ au système mais qu’elles agissent, de par leurs propriétés floculantes, sur la nature du minéral qui précipitera dans le milieu réactionnel. Il est donc possible, par le contrôle de ces facteurs, de maîtriser la synthèse des rouilles vertes par voie bactérienne.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (211 p.)
  • Annexes : [267] réf. bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université de Lorraine (Nancy, Meurthe-et-Moselle). Direction de la Documentation et de l'Edition - BU Santé - Pharmacie-Odontologie.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T/D/PH/N/2006/10
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