Soutenance de thèse d'Arnaud Duverger

Arnaud Duverger, doctorant dans l'équipe Biominéralogie : histoire, mécanismes et applications (BIOMIN), soutient sa thèse  le vendredi 17 décembre à 14 h.

Amphithéâtre de l'IPGP - 1, rue Jussieu - 75238 Paris cedex 05

Biominéralisation et diagenèse des sulfures de fer produits par les bactéries sulfato-réductrices : approches expérimentales

Résumé 

Les sulfures de fer sont omniprésents dans les roches sédimentaires et se sont révélés particulièrement utiles pour reconstruire l'évolution des paléoenvironnements terrestres. Leur propension à receler des biosignatures, en particulier celles des micro-organismes sulfato-réducteurs, est également utilisée pour tracer l'évolution de la biogéosphère mais reste souvent débattue. En effet, dans les environnements modernes, les bactéries sulfato-réductrices (SRB) jouent un rôle clé dans la réduction des sulfates en sulfures qui peuvent, en présence de métaux, précipiter des minéraux comme la pyrite (FeS2). Cependant, l'implication directe des SRB dans la formation de pyrite sédimentaire est encore mal comprise en raison des échecs à obtenir cette réaction dans des cultures monospécifiques en laboratoire. L'étude en laboratoire est pourtant une étape essentielle pour pouvoir préciser les mécanismes de formation des sulfures de fer, le rôle des SRB et en extraire des biosignatures robustes. Au cours de ce travail de thèse, plusieurs approches expérimentales ont été explorées afin de caractériser les processus de biominéralisation de sulfures de fer par les SRB ainsi que leur évolution diagénétique. Une première approche s'est appuyée sur des enrichissements bactériens (plurispécifiques) réalisés à partir des eaux anoxiques et ferrugineuses du lac Pavin (Massif Central). Elle a montré que les SRB pouvaient se développer dans des milieux pauvres en sulfates et avoir un rôle important dans la biominéralisation des phases porteuses de fer grâce aux interactions avec d'autres métabolismes microbiens et à la mise en place d'un cycle cryptique du soufre. Une seconde approche s'est focalisée sur des cultures monospécifiques d'une souche modèle de SRB (Desulfovibrio desulfuricans) en présence de différentes sources de fer (ferreux dissous ou nanoparticules de phosphate ferrique). Les deux conditions ont conduit à la formation rapide (une semaine) de monosulfures de fer (FeS) présentant cependant des différences morphologiques. En effet, en présence de fer dissous, les sulfures de fer précipitaient sous forme de particules micrométriques rappelant des bactéries encroûtées alors qu'en présence de phosphate de fer, ils ont pris la forme d'un biofilm minéralisé. Après un mois, des pyrites sont apparues au sein de ce biofilm tandis que les cultures en présence de fer dissous n'ont pas évolué. Ces résultats, qui comptent parmi les rares synthèses de pyrites biogéniques, ont permis de préciser les mécanismes de formation des pyrites en lien avec l'activité des SRB. Dans les mêmes conditions de culture, les compositions isotopiques des sulfates, FeS et pyrites ont été mesurées afin de préciser les fractionnements isotopiques liés à la production de sulfures de fer par les SRB, là où les études précédentes s'étaient arrêtées à la formation de sulfure d'hydrogène. Nos résultats ont montré que la sulfato-réduction microbienne détermine le fractionnement majeur par rapport à la précipitation des sulfures de fer. Par ailleurs, des résultats préliminaires en multi-isotopie du soufre ont révélé des signatures distinctes sur la masse 36 selon la source de fer utilisée dans les cultures. Finalement, la diagenèse expérimentale des sulfures de fer abiotiques et biogéniques précédemment obtenus a conduit dans les deux cas à la formation de pyrite mais une nouvelle fois, une dichotomie majeure a été observée concernant leur morphologie. Là où les pyrites obtenues à partir des sulfures de fer abiotiques formaient des cristaux euhédriques semblables à ceux observés dans les sédiments pauvres en matière organique, celles obtenues à partir des produits des cultures ressemblaient à des agrégats sphérulitiques. Ces agrégats, distincts des framboïdes, pourraient avoir été négligés jusqu'à présent dans les environnements sédimentaires et leur recherche permettrait d'ouvrir une nouvelle voie vers l'identification des pyrites biogéniques dans les environnements naturels.

Mots clés : bactéries sulfato-réductrices, biominéralisation, biosignatures, diagenèse, lac Pavin, pyrite, sulfures de fer

Biomineralization and diagenesis of iron sulfides produced by sulfate-reducing bacteria : experimental approaches

Abstract

Iron sulfides are ubiquitous in sedimentary rocks and have proven particularly useful in reconstructing paleoenvironments evolution. Their propensity to harbor biosignatures, in particular those of sulfate-reducing microorganisms, is also used to trace the geobiosphere evolution but remains often debated. Indeed, in modern environments sulfate-reducing bacteria (SRB) play a key role in the reduction of sulfate to sulfide that can then precipitate minerals such as pyrite (FeS2) in the presence of metals. However, the direct involvement of SRB in the formation of sedimentary pyrite is still poorly understood due to failures in achieving this reaction in laboratory pure cultures. However, laboratory studies are crucial to assess the mechanisms of iron sulfides formation, the role of SRB and to determine robust biosignatures. In this PhD work, several experimental approaches were explored in order to characterize iron sulfide biomineralization processes in SRB cultures and their diagenetic evolution. A first approach was based on microbial enrichments carried out from anoxic and ferruginous waters of Lake Pavin (Massif Central). It showed that SRB could thrive in sulfate-poor environments and have an important contribution in the biomineralization of iron-bearing phases thanks to interactions with other microbial metabolisms through a cryptic sulfur cycle. A second approach focused on pure cultures of a model strain of SRB (Desulfovibrio desulfuricans) in the presence of different iron sources (dissolved ferrous iron or nanoparticulate ferric phosphate). Both conditions led to the rapid formation (one week) of iron monosulfide (FeS) exhibiting however morphological differences. Indeed, in the presence of dissolved ferrous iron, iron sulfide precipitated as micrometric particles reminiscent of encrusted bacteria, whereas in the presence of ferric iron phosphate, it appeared as a mineralized biofilm. After one month, pyrite nucleated within this biofilm while the cultures with dissolved iron did not evolve further. These results, which are among the rare laboratory syntheses of biogenic pyrites, allowed to clarify the mechanisms of pyrite formation in association with SRB activity. Under the same culture conditions, isotopic compositions of sulfates, FeS and pyrites were measured in order to determine the isotopic fractionations related to the production of iron sulfides by SRB, while previous studies focused on the formation of hydrogen sulfide (with no biomineralization). Our results showed that microbial sulfate reduction determined the main fractionation with respect to iron sulfide precipitation. Furthermore, preliminary results on sulfur multi-isotopes revealed distinct signatures on the mass 36, linked to the nature of the iron source supplied in cultures. Finally, experimental diagenesis of abiotic and biogenic iron sulfides both led to the formation of pyrite, but once more a major dichotomy of pyrite morphology was noticed. While pyrite obtained from abiotic iron sulfides displayed euhedral crystals similar to those reported in organic-poor sediments, those obtained from culture products were spherulitic aggregates. These aggregates, distinct from the well-known framboids, may have been overlooked so far in the sedimentary record and their investigation might pave the way to new identification of biogenic pyrites in natural environments.

Keywords: biomineralization, biosignatures, diagenesis, iron sulfides, lake Pavin, pyrite, sulfate-reducing bacteria

Jury

• Aude Picard, Assistant Research Professor, University of Nevada (rapportrice)
• Laurent Truche, Professeur des universités, Université Grenoble Alpes (rapporteur)
• Bénédicte Menez, Professeure des universités, Université de Paris (examinatrice)
• Johanna Marin-Carbonne, Professeure assistante, Université de Lausanne (examinatrice)
•  Vincent Busigny, Professeur des universités, Université de Paris (directeur de thèse)
• Sylvain Bernard, Chargé de recherche CNRS, Paris (co-directeur de thèse)