Étude de la biominéralisation de carbonates intracellulaires et de silicates de magnésium hydratés dans des environnements lacustres alcalins

Study of the biomineralization of intracellular carbonates and hydrated magnesium silicates in alkaline lake environments

• Auteur / Autrice : Alexis De Wever
• Direction : Karim Benzerara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géobiologie
• Date : Soutenance le 11/10/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Purificación López-García
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Beyssac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Gérard, Christophe Thomazo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en magnésium

Silicates

Minéralisation (biologie)

Sédiments lacustres

Stromatolithes

Mots clés libres

Stromatolites

Sédiments

Alcalinité

Biominéralisaiton

Silicates de magnésium

ACC intracellulaire

Stromatolites

Sediments

Alkalinity

Biomineralization

Magnesium silicates

ACC intracellulaire

Résumé

Les stromatolites sont des roches organo-sédimentaires laminées composées de carbonates de Ca et/ou Mg mais également de silicates de Mg dans certains cas. Les processus impliqués dans leur formation restent encore mal compris. L’objectif central de cette thèse est de mieux comprendre les processus géochimiques et géomicrobiologiques permettant de favoriser ou au contraire de défavoriser la formation des carbonates et silicates de magnésium dans les environnements lacustres alcalins mexicains. Deux axes principaux ont été développés. Le premier axe s’est focalisé sur les analyses de souches formant des carbonates de calcium amorphes (ACC) intracellulaire (ACC+) ou non. Une grande diversité de souches de cyanobactéries a été analysée pour leur capacité à incorporer le Ca. De plus, l’impact des alcalino-terreux sur la croissance de certaines de ces souches a été déterminé. A partir de cette étude, nous avons mis en évidence que les souches de cyanobactérie ACC+ incorporent plus de Ca que les autres et qu’elles le stockent principalement dans les inclusions d’ACC et dans les polyphosphates (polyP). De plus, nous avons déterminé que les souches ACC+ ont relativement plus besoin de Ca pour leur croissance et certaines d’entre elles sont capables de substituer le Ca par du Sr et Ba. Nous proposons que les inclusions d’ACC 1) peuvent servir de ballasts, 2) peuvent tamponner le pH intracellulaire et équilibrer la formation d'hydroxyde par conversion de HCO3 en CO2 lors de la fixation du carbone et 3) alternativement, ils peuvent servir de forme de stockage de carbone inorganique disponible pour les cellules sur des périodes limitées en C. De plus, les polyP pourraient être impliqués dans le stockage de Ca. Plus largement, les cyanobactéries ACC+ pourraient favoriser la dissolution de carbonate de Ca et par extension celle des stromatolites. Le second axe s’est intéressé à l’étude de la formation de silicates de magnésium dans les sédiments et mésocosmes analogues de 3 lacs alcalins mexicains mais également par des expériences de biominéralisation. Les analyses minéralogiques et chimiques des silicates de magnésium ont été couplées aux caractérisations géochimiques des solutions. L’étude des sédiments a montré la formation de deux smectites, l’une pauvre et l’autre riche en Al et également de smectite ferrugineuse ou sans forte teneur en Fe. Plusieurs interprétations ont été proposées quant à leur formation : 1) la dissolution conjointe d’hydromagnésite et des frustules de silice biogénique, 2) elle est héritée de la colonne d’eau, 3) est liée à l’altération des feldspaths dans les sédiments et 4) à la biominéralisation dans la colonne d’eau. Il a également été montré qu’une souche de cyanobactéries est capable d’induire la précipitation de silicates de magnésium en milieu non tamponné. Dans les mésocosme des lacs alcalins, la formation de silicate de Mg serait directement liée à la composition minéralogique des microbialites, et possiblement des diatomées permettant l’apport de Si dans la solution et localement dans le biofilm, et est biologiquement influencée par les EPS des communautés microbiennes.

Stromatolites are laminated organo-sedimentary rocks composed of Ca and/or Mg carbonates but also Mg-silicates in some cases. The processes involved in their formation are still poorly understood. The main goal of this thesis was to better understand the geochemical and geomicrobiological processes that favor the formation or dissolution of carbonates and Mg-silicates in Mexican alkaline lacustrine environments. Two main axes have been developed. The first axis focused on the study of 52 cyanobacterial strains, some forming ACC intracellular, others not forming ACC. The strains were analyzed for their ability to incorporate Ca. The impact of alkaline earth elements on the growth of some of the strains was determined. In this study we have shown that ACC+ cyanobacterial strains incorporate more Ca than others and they store this Ca strongly in ACC and in polyP. In addition, we determined that ACC+ strains need more Ca for their growth and some of them are capable to substitute Ca by Sr and Ba for this purpose. We propose that ACC inclusions 1) can serve as ballasts, 2) can buffer intracellular pH and balance the formation of HCO3 conversion hydroxide to CO2 during carbon fixation and 3) available inorganic carbon storage for carbon dioxide. In addition, polyP could be involved in Ca storage. More broadly, ACC+ cyanobacteria have contributed to the dissolution of calcium carbonate and by extension stromatolites. The second axis focused on the study of Mg-silicate formation in sediments and mesocosms of 3 Mexican alkaline lakes but also in laboratory experiments. Mineralogical and chemical analyzes of magnesium silicates have been coupled with geochemical characterization of the solutions. The study of sediments showed the formation of an Al-low and an Al-rich stevensite-like phase and of ferrous or non-ferrous saponite-like. Several interpretations have been proposed regarding their formation: 1) dissolution of hydromagnesite and biogenic silica frustules, 2) it is inherited from the water column, 3) it is related to the alteration of feldspaths within sediments and 4) biomineralization in the water column. It has also been shown that a cyanobacterial strain was able to induce precipitation of magnesium silicates in an unbuffered medium. Mg-silicate formation in mesocosms from alkaline lakes is thought to be directly related to the mineralogical composition of microbialites, and possibly diatoms that allow Si to be introduced into the solution and locally into the biofilm and is biologically influenced by microbial community EPS.