Faculté des sciences

Carbonatogénèse bactérienne liée au cycle biogéochimique oxalate-carbonate = Bacterial carbonatogenesis related to the oxalatecarbonate

Braissant, Olivier ; Verrecchia, Eric (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2005 ; 1838.

L'influence des micro-organismes sur la précipitation et la dissolution des minéraux est connue depuis longtemps. Dans ce contexte, le cas particulier de l'oxalate de calcium est particulièrement intéressant car l'oxalate est présent dans de nombreux systèmes biologiques tels que chez les plantes et chez les champignons. L'oxalate joue aussi un rôle important dans certains cycles... Plus

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    Résumé
    L'influence des micro-organismes sur la précipitation et la dissolution des minéraux est connue depuis longtemps. Dans ce contexte, le cas particulier de l'oxalate de calcium est particulièrement intéressant car l'oxalate est présent dans de nombreux systèmes biologiques tels que chez les plantes et chez les champignons. L'oxalate joue aussi un rôle important dans certains cycles biogéochimiques ainsi que dans certaines pathologies humaines telles que les calculs rénaux. Malgré la faible solubilité des complexes métaux-oxalates et le degré d'oxydation élevé de l'anion oxalate, un nombre limité de bactéries sont capables d'utiliser l'acide oxalique et l'oxalate de calcium comme sources de carbone et d'énergie. La dégradation de l'oxalate par des bactéries aérobies mène à une augmentation du pH qui permet la précipitation de minéraux carbonatés. L'étude de ce processus dans les sols autour de l'iroko (Milicia excelsa), de cactus, et de plants de vigne montre que les pools d'oxalates sont très variables et que leur dégradation dans le sol et la rhizosphère est assurée principalement par les streptomycètes et les protéobacteries, respectivement. Dans tous les cas, on observe une alcalinisation des sols et une précipitation de carbonate de calcium. De plus les carbonates observés dans les différents sols peuvent être reproduits en laboratoire en utilisant les bactéries oxalotrophes isolées. L'étude de la morphologie et de la minéralogie des carbonates produits en laboratoire montre que les exopolysaccharides et les polymères pariétaux ont une grande influence sur la nature des carbonates produits. De même la cristallisation abiotique de différents polymorphes du carbonate de calcium dans un EPS commercial souligne l'importance de celui-ci dans la formation de phases métastables et des morphologies particulières du carbonate de calcium. Considérant ces éléments, cette étude propose le modèle suivant pour résumer le fonctionnement du cycle oxalate-carbonate dans les sols. Les plantes produisent un premier reservoir d'oxalate. Lors de la dégradation des tissus ligneux et de la litière, les champignons saprophytes produisent un second pool d'oxalate. De plus ils favorisent la libération des cristaux d'oxalate de calcium enchâssés dans les tissus végétaux. Ces deux pools d'oxalate sont ensuite consommés par les bactéries oxalotrophes. Il en résulte une augmentation du pH et une précipitation concomitante de carbonate de calcium.
    Summary
    The influence of microbes on the precipitation and dissolution of minerals is known for a long time. In this context the case of calcium oxalate is particularly interesting because calcium oxalate is present in many biological systems such as plant and fungi. Oxalate also plays an important role in biogeochemical cycles and human diseases such as kidney stones. Despite the poor solubility of metal oxalate complexes and the high oxidation state of oxalate, a limited number of bacteria are able to use oxalate and calcium oxalate as carbon and energy sources. Bacterial aerobic degradation of oxalates leads to a pH increase that allows the precipitation of carbonate minerals. The investigation of such processes in soils around an African tree (iroko, Milicia excelsa), cacti, and grape plants shows that oxalate pools are highly variable. In the soil and the rhizosphere, oxalic acid and oxalate crystals are mainly degraded by streptomycetes and proteobacteria respectively. In each case, an alcalinization of soil solution is observed and precipitation of calcium carbonate can occur. Moreover, calcium carbonate crystals observed in soils can be reproduced in the laboratory using isolated oxalotrophic bacteria. The study of the different morphologies and mineralogies produced by oxalotrophic bacteria in the laboratory shows that exopolysaccharides (EPS) and parietal polymers have a great influence on the nature of calcium carbonate crystal produced. In addition, abiotic crystallization of different polymorphs of calcium carbonate in an industrial EPS emphasizes EPS role in the formation of metastable phases and specific morphologies of calcium carbonate. Considering these points, this study proposes the following model for the oxalate-carbonate cycle in soils. Plants produce a first pool of oxalate. During wood and litter degradation, saprophytic fungi produces a second pool of oxalate, increasing the release of oxalate crystals encased in plant tissues. These two pools of oxalates are consumed by oxalotrophic bacteria resulting in a pH increase and a concomitant calcium carbonate precipitation