CE01 - Terre fluide et solide

Piégeage du phosphore : contribution des bactéries magnétotactiques dans les zones de transition oxique-anoxique – PHOSTORE

Piégeage du phosphore : contribution des bactéries magnétotactiques dans les zones de transition oxique-anoxique

Le projet découle de notre récente découverte d'un groupe de bactéries magnétotactiques accumulant fortement du P à l'interface oxie-anoxie dans la colonne d'eau du lac Pavin (Massif Central, France; Rivas-Lamelo et al. 2017), ferrugineux et stratifié. Ces bactéries constituent un modèle nouveau et pertinent pour étudier le cycle du P par les microorganismes en milieu d'eau douce, les mécanismes moléculaires de séquestration du P et leur influence par les paramètres environnementaux.

Diversité des bactéries magnétotactiques et facteurs environnementaux de leur structuration en niches écologiques dans un contexte de phosphatogenèse : impact sur le cycle du P

Les bactéries magnétotactiques (MTB), présentes dans les environnements naturels, ont des capacités étonnantes : en plus de réagir au champ magnétique terrestre (ce qui permet de les concentrer avec un aimant), elles ont la capacité, dans certaines conditions environnementales qui restent indéterminées, de séquestrer différents éléments ou composés tels que les phosphates, par ailleurs source de pollution du fait des activités humaines. <br />Nos observations préliminaires dans la colonne d'eau du lac Pavin ont montré la succession de différents morphotypes autour de la zone de transition oxique-anoxique (OATZ), les cocci magnétotactiques avec inclusions de polyphosphates (PolyP) étant le morphotype le plus abondant à toutes les profondeurs où les MTB sont observées. Les morphotypes observés semblent distribués de façon très localisée dans la colonne d'eau, probablement en relation avec des conditions physico-chimiques spécifiques. <br />Notre projet propose la première exploration de la diversité des MTB, de la structuration géochimique de leurs niches écologiques, et de leur impact sur le cycle du P, dans un contexte de phosphatogenèse. Les principaux objectifs de notre projet sont les suivants : (i) identifier les souches de MTB particulièrement efficaces dans la séquestration de PolyP, (ii) mesurer la taille et la dynamique de ce réservoir de P et donc l'impact des MTB sur le cycle du P dans le lac Pavin, par leur stockage actif de P dans la biomasse ou en favorisant la précipitation des phases minérales phosphatées, et (iii) identifier les déterminants génétiques, métaboliques et environnementaux de ces processus.<br />A plus long terme, ces travaux pourront s'appliquer dans le développement de stratégies de bioremédiation.

1) Nous avons réalisé un profil physico-chimique détaillé le long de la colonne d’eau du lac Pavin. Après avoir localisé la transition oxie-anoxie (OATZ) et les communautés de MTB par microscopie optique, un échantillonnage de l'OATZ avec un pas de 20 cm (9 profondeurs) a été réalisé et analysé en ce qui concerne la concentration des différents morphotypes de MTB, en utilisant des approches de tri magnétique et de microscopie optique. Pour les cocci, la proportion de cellules contenant ou non des inclusions PolyP, et ce pour différents types d’ultrastructure des chaînes de magnétosomes, a été évaluée en fonction de la profondeur dans la colonne d’eau en utilisant la microscopie électronique en transmission (STEM & HR-TEM) et la spectrométrie de rayons X en dispersion d'énergie (EDXS). La liaison statistique entre les concentrations des phénotypes et des morphotypes de MTB, et différents paramètres physico-chimiques et géochimiques (chimie des solutions et des particules) a été évaluée à l'aide d’analyses statistiques multivariées.

2) Des échantillons de la colonne d’eau ont été collectés afin de réaliser les identifications des différentes populations de bactéries magnétotactiques. Une approche de tri de cellules uniques par micromanipulation sous microscope optique a été réalisée. Comme différentes populations de MTB sont facilement distinguables en microscopie optique du fait de différents paramètres (e.g., morphologie de la cellule, présence d’inclusions, mobilité) une telle approche a ainsi permis de spécifiquement cibler les populations de MTB d’intérêt. Une fois les cellules triées, leur génome a été amplifié afin de disposer d’ADN en quantité suffisante pour le séquençage de leur ARNr 16S puis de leur génome.

- La convergence de projets relatifs à l’étude des bactéries magnétotactiques dans la colonne d’eau du lac Pavin, portés par différents membres de ce consortium (ANR SIGMAG, ANR PHOSTORE, CNRS INSU-EC2CO Microbien 2020 ), a abouti à la mise au point d’un procédé efficace de concentration magnétique couplé à un échantillonnage à haute-résolution par pompage en ligne (Busigny et al. 2021, Env. Microbiol. doi: 10.1111/1462-2920.15458). Ce développement permet dorénavant des études fines de la structure et de la composition des populations de MTB et de leurs niches écologiques, et rend réalisable l’échantillonnage de gros volumes d’eau.
- Un nouveau morphotype de MTB a été récemment décrit par notre consortium, dans la zone de transition oxique-anoxique localisée dans la colonne d’eau du lac Pavin : des bâtonnets formant des inclusions de carbonate de calcium amorphes, appartenant à un genre non décrit au sein de la famille des Rhodospirillaceae de la classe des Alphaproteobacteria (Monteil et al. 2021, ISME J doi: 10.1038/s41396-020-00747-3).
- Nous avons mis en évidence la stratification des 2 populations majoritaires de bactéries magnétotactiques, présentant des capacités distinctes de séquestration d’éléments (polyphosphates de magnésium, calcium ou potassium d’une part et carbonates de calcium amorphes d’autre part). Les facteurs environnementaux structurant ces populations, et liés à la capacité des cocci magnétotactiques à séquestrer des PolyP, sont en cours d'identification.

Une approche de métagénomique, pour caractériser le potentiel fonctionnel et la diversité moléculaire des communautés de MTB de la colonne d’eau du lac Pavin sera mise en place prochainement. Les métabolismes en lien avec les facteurs environnementaux structurant ces populations en niches seront explorés. Par ailleurs, la contribution de ces bactéries au cycle du P dans la lac Pavin sera évaluée, par l'analyse de sédiments et de l’export du phosphore par les MTB depuis la colonne d’eau.

- Monteil CL, Benzerara K, Menguy N, Bidaud CC, Michot-Achdjian E, Bolzoni R, Mathon F, Coutaud M, Alonso B, Garau C, Jézéquel D, Viollier E, Ginet N, Floriani M, Swaraj S, Sachse M, Busigny V, Duprat E, Guyot, F, Lefèvre CT (2021) Intracellular amorphous Ca-carbonate and magnetite biomineralization by a magnetotactic bacterium affiliated to the Alphaproteobacteria. ISME J. 15:1-18 doi.org/10.1038/s41396-020-00747-3 hal-cea.archives-ouvertes.fr/cea-02961539

- Busigny V, Mathon FP, Jézéquel D, Bidaud CC, Viollier E, Bardoux G, Bourrand JJ, Benzerara K, Duprat E, Menguy N, Monteil CL, Lefèvre CT (2021) Mass collection of magnetotactic bacteria from the permanently stratified ferruginous Lake Pavin, France. Env. Microbiol. doi.org/10.1111/1462-2920.15458 hal.archives-ouvertes.fr/hal-03171041

- Bidaud CC, Monteil CL, Menguy N, Busigny V, Jézéquel D, Viollier E, Travert C, Skouri-Panet F, Benzerara K, Lefevre CT, Duprat E. Population structure of magnetotactic bacteria forming intracellular polyphosphates in the water column of Lake Pavin, a freshwater ferruginous environment, EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr 2021, EGU21-11061 doi.org/10.5194/egusphere-egu21-11061

Le rôle des micro-organismes dans le cycle géochimique du P a suscité un grand intérêt dans le contexte de la bioremédiation et de la formation de gisements sédimentaires (phosphorites). Quelques modèles microbiens impliqués dans la séquestration du P ont été décrits, principalement isolés dans des zones de transition oxique-anoxique à l’interface eau-sédiment. Nous avons récemment mis en évidence que des bactéries magnétotactiques (MTB) de la famille des Magnetococcaceae accumulaient abondamment des polyphosphates intracellulaires (PolyP) à l'interface oxique-anoxique dans la colonne d'eau du lac Pavin (ferrugineux). Nous proposons que ces MTB sont un modèle nouveau et pertinent pour étudier le recyclage du P par les microorganismes en eau douce, les mécanismes moléculaires de la séquestration de P et leur influence par les paramètres environnementaux. Nous proposons ici de combiner des approches in situ, in vitro et in silico multidisciplinaires afin (i) d'identifier les souches de MTB particulièrement efficaces dans l'accumulation de PolyP, (ii) mesurer la taille et la dynamique de ce réservoir de P et l’impact des MTB sur le cycle du P dans le lac Pavin, par leur incorporation active de P dans la biomasse ou par biominéralisation, et (iii) déterminer les déterminants génétiques, métaboliques et environnementaux de ces processus. Ce projet, s'intéressant aux interactions entre les systèmes vivants et les phases solides inorganiques, sera réalisé par un consortium combinant des expertises reconnues en microbiologie et écologie du MTB, (bio)minéralogie et géochimie des phases solides et aqueuses, génomique (environnementale), travail de terrain et de laboratoire. Notre programme de travail consistera à (i) explorer le cycle du P dans le lac Pavin, en particulier les corrélations entre les paramètres biologiques (diversité des MTB, accumulation de PolyP) et les paramètres de géochimie des solutions. Les MTB et d'autres espèces microbiennes accumulatrices de PolyP seront triées et identifiées. La taille, la dynamique et le devenir de ce réservoir biologique de P seront déterminés, avec une quantification de la contribution du MTB au piégeage et à l'export de P; (ii) cultiver in vitro les MTB isolées, dans des différentes conditions contrôlées avec un suivi de la cinétique d'accumulation du P, des caractères métaboliques et minéralogiques, et de l'expression des gènes. Les capacités de piégeage du P des MTB du lac Pavin seront comparées à celles de souches phylogénétiquement proches/distantes, isolées d’autres OATZ. Une meilleure compréhension de la formation des PolyP intracellulaires sera fournie par leur caractérisation à l'échelle du micromètre et du nanomètre a` l'aide de microscopies et de spectroscopies avancées; (iii) déchiffrer le potentiel fonctionnel de plusieurs MTB enrichies du lac Pavin en fonction de leur identité taxonomique, en mettant l'accent sur l'abondance des familles de gènes impliqués dans le métabolisme du P. Ces répertoires génomiques seront comparés à ceux de souches MTB modèles et d'autres hyperaccumulateurs bactériens connus. Nous fournirons de nouveaux modèles microbiens séquestrant efficacement le P et nous produirons des connaissances fondamentales sur la dépendance de ce processus vis-à-vis des conditions environnementales. A plus long terme, ce projet pourrait permettre le développement de stratégies de dépollution/bioremédiation «vertes» pour l'élimination du P et/ou la séquestration de métaux lourds par les MTB, qui ont l'avantage d'être facilement triées par un champ magnétique. Cela pourrait être aussi une stratégie pour récupérer efficacement le P des eaux usées et pour une utilisation ultérieure comme une alternative à l'exploitation des gisements sédimentaires. Les populations microbiennes séquestrant efficacement les PolyP, comme celles du lac Pavin, pourraient ainsi inspirer de nouvelles stratégies de piégeage du phosphore dans la biomasse ou les phases minérales.

Coordination du projet

Elodie Duprat (Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

BIAM Institut de biosciences et biotechnologies d'Aix-Marseille
IMPMC Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie
LMGE LABORATOIRE MICROORGANISMES : GÉNOME ET ENVIRONNEMENT
UMR-IPGP UMR-Institut de physique du globe de Paris

Aide de l'ANR 359 171 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2019 - 36 Mois

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