CE01 - Milieux et biodiversité : Terre fluide et solide

Formation de minéraux dans les biofilms bactériens – MAMBA

MAMBA

Les biofilms microbiens sont des contrôles majeurs du cycle des éléments dans pratiquement tous les environnements à la surface de la Terre. Les recherches de ces 15 dernières années soulignent le rôle qu'ils jouent en tant que catalyseurs de processus fondamentaux dans l'environnement. Cependant, malgré les efforts importants déployés pour intégrer leur réactivité au cycle global des éléments, seules des réponses partielles sont obtenues concernant leur impact et les processus associés.

Objectifs

En étant situés à l'interface entre les minéraux et les solutions du sol, les biofilms microbiens sont des zones tampon très réactives. En particulier, ces structures créent des microenvironnements présentant des conditions physico-chimiques particulières, capables de favoriser la formation de biominéraux. <br />- Ce projet se concentre ainsi sur l'identification des processus de biominéralisation à l'échelle moléculaire, en lien avec la structure du biofilm. Les informations mécanistiques fondamentales associées à ces processus seront déterminés par des expériences en laboratoire sur des cultures de biofilms axéniques, y compris des mutants ayant une organisation 3D spécifique du biofilm. Les éléments considérés ici, sont le Mn et le Cr, liés au contexte de pollution minière. <br />- Simultanément, un deuxième objectif de cette proposition est de développer des approches analytiques innovante et adaptées à l'étude de ces structures biologiques complexes. Dans ce contexte, l'analyse en microscopie électronique en transmission (TEM) en conditions hydratées permettront d'étudier la dynamique de la minéralisation à l'échelle moléculaire dans les assemblages biologiques.

Étant donné la grande complexité des interfaces minéral-biofilm qui empêche en partie de déterminer avec précision les mécanismes de biominéralisation, ce projet repose sur une approche de laboratoire menée sur des systèmes idéaux (biofilm monospécifique, apport de métal et pH contrôlés).

WP 1 : CROISSANCE DU BIOFILM ET EXPOSITION AUX MÉTAUX
6 structures de biofilm différentes seront testées, avec des mutants qui produisent des biofilms de densités et de compositions chimiques diverses. Les biofilms seront cultivés (Task 1) et exposés à des solutions contenant des métaux (Mn(II), Cr(III) et une combinaison des deux (Task 2).

WP 2 : STRUCTURE DES BIOFILMS ET MICRO-ENVIRONNEMENTS
Les objectifs de ce WP2 sont de localiser et de caractériser les propriétés physico-chimiques des microenvironnements dans l'épaisseur du biofilm. La structure générale sera étudiée (Task 3). Un marquage chimique sera effectué, donnant accès à l'organisation 3D des cellules bactériennes et de l'EPS (Task 4), et les gradients physico-chimiques et la répartition des éléments dans l'épaisseur du biofilm seront étudiés (Task 5).

WP 3 : DYNAMIQUE DE LA FORMATION DU PRÉCIPITÉ
Le WP3 se concentre sur la compréhension des processus de biominéralisation et la définition des paramètres physico-chimiques locaux. La détermination des «hot spots« de minéralisation sera étudiée à l'échelle du biofilm (Task 6), et à l'échelle moléculaire (Task 7). Des approches de modélisation thermodynamique seront développées pour déterminer les conditions physico-chimiques locales (Task 8).

WP 4 : IDENTIFICATION DES SITES DE NUCLÉATION
Le WP4 se concentre sur les aspects dynamiques à l'échelle moléculaire en utilisant le Liquid-TEM. Cela sera fait en étudiant la minéralisation en temps réel dans des structures synthétiques (Task 9). Des expériences seront menées sur des biofilms directement cultivés dans des cellules d'observation (Task 10) afin d'accéder à une identification en temps réel des sites de nucléation.

WP1 :
- Une mise au point des protocoles de croissance en milieu carencé en phosphate (qui interagit fortement avec les métaux en solution et créé des artefacts lors de leur précipitation) a été effectuée.
- Croissance de biofilms bactériens en micro-slides (cellules Ibidi). La mise au point a été rapide. Ces biofilms croissent en condition contrôlées, notamment en limitant les apports de phosphate.
WP2 :
- Des observations en spectroscopie ATR-FTIR résolue spatialement montrent une forte hétérogénéité spatiale dans les types de groupes fonctionnels et exopolymères, à l’échelle de plusieurs centaines de microns.
- Les premières mesures en microscopie confocale à balayage laser indiquent des gradients de pH (variant légèrement sur 0.2 unités de pH sur quelques micromètres) mais aussi une influence du Mn sur ces gradients pH.
WP3 :
- Des observations de précipités de Mn sur des échantillons naturels collectés sur des stériles miniers en Nouvelle-Calédonie, indiquent une oxydation du Mn par des microorganismes. Des analyses de métagénomique sont en cours d’interprétation pour déterminer quelles sont les souches responsables de cette oxydation.
WP4 :
- Observation de la minéralisation de Mn sur différents mutants de bactéries. Cette minéralisation est contrôlée par le type d’exopolymères de surface.
- Mise au point des conditions d’observation de minéralisation de Mn sur des bactéries en liquid-TEM sur un nouveau microscope (des travaux d’amélioration ayant été effectués pendant une année sur le microscope principal).
- Observations de minéralisation de Mn en liquid-TEM sur des microbilles de polystyrène fonctionalisées (nues, carboxyles, amines, sulfonates, C18, protein A). Il a pu être observé que la minéralisation de Mn se fait principalement à faible dose d’électrons (régime plutôt oxydant) et est fortement dépendante du type et de la densité de sites fonctionnels.

- Impact industriel du stockage des déchets miniers : L'évaluation de la réactivité de ces résidus miniers a des impacts environnementaux, économiques et sociétaux directs. En particulier, l'évaluation précise du rôle des biofilms dans ces systèmes miniers reste peu documentée dans la littérature malgré la forte réactivité associée à ces colonies de bactéries. Le résultat le plus immédiat de ce projet est une estimation de la libération potentielle dans l'environnement de métal provenant des résidus miniers, pouvant ainsi avoir un impact sur les écosystèmes environnants. Ce projet a ensuite d'importantes implications sociétales pour les populations au voisinage de ces systèmes s'il est prouvé qu'ils génèrent une pollution métallique.
- Développement d'outils scientifiques pour les sciences de la Terre : En raison des difficultés d'analyse, la microscopie électronique à cellule liquide reste peu développée ailleurs dans le monde, malgré l'impact élevé attendu de ce type d'applications. En tant que telle, notre proposition fournit une base solide pour le développement de cet outil pour la communauté des sciences environnementales, et positionne cette proposition dans une situation extrêmement favorable dans la compétition internationale pour les applications de la microscopie en cellule liquide.
- Applications techniques : La synthèse de nanomatériaux basée sur la biologie se développe rapidement et permet d'accéder à des structures organisées, difficilement accessibles par la chimie classique. Ces voies de synthèse originales sont actuellement explorées par de nombreux laboratoires et groupes industriels. Les résultats rassemblés ici pourraient être le point de départ du développement de voies originales de synthèse de nanomatériaux par biofilms. Ces travaux pourraient également être utilisés pour établir de nouvelles stratégies de remédiation par les bactéries.

Couasnon T., Alloyeau D., Menez B., Guyot F., Ghigo J.M., Gelabert A. 2020 “In situ monitoring of exopolymer-dependent Mn mineralization on bacterial surfaces”, Science Advances, 6(27), eaaz3125, DOI: 10.1126/sciadv.aaz3125

Desmau M., Carboni A., Le Bars M., Doelsch E., Benedetti M., Auffan M., Levard C., Gelabert A. 2020 “How microbial biofilms control the environmental fate of engineered nanoparticles?”, Frontiers in Environmental Science, 8:882, DOI: 10.3389/fenvs.2020.00082

Davranche M., Gelabert A., Benedetti M.F. 2020 “Electron Transfer Drives Metal Cycling in the Critical Zone”, Elements, 16(3), 185-190, DOI: 10.2138/gselements.16.3.185

Les microorganismes dans l’environnement forment des biofilms, composés de polymères extracellulaires et de cellules, et où la faible porosité limite la diffusion d’éléments. Ces structures maintiennent des microenvironnements aux propriétés physico-chimiques spécifiques, et des impacts des biofilms sur les cinétiques d’altération ont été rapportés. Ils peuvent aussi créer des sursaturations locales dans ces microenvironnements et peuvent ainsi induire la formation de biominéraux. Cependant notre compréhension des processus associés reste limitée alors que ces mécanismes (relargage de métal ou séquestration) sont des thèmes centraux des domaines géochimiques, environnmentaux et de dépollution. Un exemple est la mine de Sukinda Valley, en Inde, qui génère ~7,6 millions de tonnes par an de déchets, et exporte 11,73 tonnes par an de Cr(VI), extrêmement toxique. Etant donné les difficultés d’oxyder Cr(III) présent dans le minerais, la présence de bactéries par ailleurs identifiées sur ce site est à même de contrôler la libération de Cr(VI), en permettant l’oxydation de Mn(II) en MnO2, minéral très oxydant, capable à son tour d’oxyder Cr(III) en Cr(VI). Cependant étant donné la nature complexe des biofilms, la dynamique de libération de Cr(VI) reste mal comprise, limitant les actions contre cette pollution diffusant autour de la mine.

Beaucoup d’étude sur la biominéralisation existent, mais peu prennent en compte la structuration particulière des biofilms. Ainsi, de nombreuses questions restent ouvertes quant aux processus associés. Nous proposons de tester deux hypothèses afin de définir la minéralisation de Mn et Cr (présent dans en zones minière) dans les biofilms : i) la biominéralisation est fortement impactée par le type et l’organisation 3D des polymères extracellulaires, ii) la biominéralisation est dépendante de la présence de sites de nucléations et pas seulement de la sursaturation locale dans les microenvironnements.
Les avancées récentes faites par notre groupe permettent de contourner la plupart des limitations associées à l’étude des biofilms, et ce projet très innovant est centré sur la combinaison de techniques à l’état de l’art, fruit de la collaboration des sciences de la terre et de la physique des matériaux, avec principalement des techniques synchrotron, des microanalyses Raman, et des approches extrêmement innovantes de microscopie électronique.

Nous proposons d’effectuer une étude de laboratoire basée sur des cultures de biofilms axénique, incluant des mutants de E. coli et Pseudomonas sp. ayant chacun un mode propre d’organisation (WP1). Après avoir étudié l’organisation 3D de chaque type de biofilm, la nature physico-chimique des gradients et des microenvironnements dans ces structures va être étudiée (WP2). Ensuite, la dynamique des processus de biominéralisation à l’échelle du biofilm et de la molécule, en lien avec la structure des biofilms, seront recherchée, permettant d’accéder aux conditions physico-chimiques locales de précipitation dans les microenvironnements (WP3). Enfin, des observations en temps réel des processus de minéralisation en milieu liquide et à l’échelle de la molécule seront effectués grâce au développement récent du MET en cellule liquide (WP4). Suivre directement les différentes étapes de biominéralisation, notamment la nucléation en environnement liquide, devrait permettre de réaliser des progrès significatifs dans notre compréhension des processus de biominéralisation.

Ce projet, relatif à la dynamique de contaminants dans les systèmes riches en métaux fait partie du Defi 1-Axe 1-sous-axe 1.1 ou il devrait permettre de fournir des informations importantes pour l’exploitation des ressources minérales, avec l’évaluation des impacts des activités minières. De plus, les stratégies analytiques et outils développés ici (MET en cellule liquide) devraient initier des stratégies nouvelles de recherche dont la communauté entière des Sciences de la Terre devrait bénéficier.

Coordinateur du projet

Monsieur Alexandre Gelabert (Institut de physique du globe de Paris)

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

IMPMC Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie
IPGP Institut de physique du globe de Paris
MPQ Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques

Aide de l'ANR 399 060 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 48 Mois

Liens utiles

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter