Ressources : Des carbonates microbiens en microscopie à balayage

Discipline : Sciences de la vie et de la Terre
Série S
Enseignement de spécialité
Thème 2 : Atmosphère, hydrosphère, climats : du passé à l'avenir

Activité : Mise en évidence de la cristallisation de CaCO3 grâce à l’activité de bactéries

Voici des documents tirés de mes recherches, n'hésitez pas à aller en fin de page ou se trouve le lien vers l'article scientifique qui détaille cette expérience. Si vous n'avez pas les droits pour télécharger l'article, n'hésitez pas à me contacter via le blog.

Voici des images en microscopie à balayage de carbonates de calcium (CaCO3). Même s'ils présentent tous des formes très différentes, comme ci dessous, où l'on voit une sphère sur un minéral cubique, ce sont tous des mineraux de CaCO3.

La photo suivante montre bien la diversité des formes de carbonate de calcium que l'on a pu obtenir au cours de cette expérience. Attention, il existe 3 principaux polymorphes de carbonate de calcium (la calcite, l'aragonite et la vatérite).

 Cependant ici, 92% des minéraux que l'on voit sont des calcites (malgrès la diversité de forme!). Nous avons pu déterminer la minéralogie grâce a un appareil de"Diffratction aux Rayons X".

Sur la photo suivante, on voit comme les cristaux peuvent croître en formant des couches successives

Sur les deux photos suivantes on peut voir des formes de batonnets à la surface des minéraux, regardez l'échelle en bas à gauche : ces batonnets ne font pas plus d'1µm de large et quelques µm de long...ce sont des empreintes de cellules bactériennes !

Même s'il a été démontré par des équipes de chercheurs qu'il est possible d'obtenir des minéraux de forme sphérique de manière tout a fait abiotique, il reste fréquent d'observer des carbonates sphèriques dans ce genre d'expériences de biominéralisation microbienne.

Les bactéries que nous avons utilisé sont des Sporosarcina pasteurii, elles sont équipés d'enzymes, les uréases, qui réalisent la réaction d'uréolyse (dégradation de l'urée H2N-CO-NH2) selon les équations suivantes :

H2N-CO-NH2 +  2H2O --> 2NH3 + H2O + CO2(d)

Suite à celà deux autres réactions interviennt :

NH3 + H2O --> NH4(+) + OH(-)

et 

CO2 + OH(-) --> HCO3(-)

Pour finir les deux réactions suivantes se produisent : 

HCO3(-) --> CO3(2-) + H(+)

et

CO3(2-) + Ca(2+) --> CaCO3(s)

Voici deux graphiques représentant le pH et l'avancement de la précipitation des minéraux au cours de la réaction d'uréolyse :

Ce que l'on voit sur ces graphiques c'est que dans un premier temps le pH augmente. Cette augmentation du pH est lié a la production d'ions OH(-) lors de la formation d'ammonium NH4(+).

Cette augmentation de pH permet la conversion du CO2 produit par l'uréolyse en HCO3(-) puis en CO3(2-). Et enfin, le CO3(2-) réagit avec le Ca(2+) pour former le CaCO3. 

Le début de la précipitation provoque une chute de pH car la conversion du CO2 (continuellement produit au cours de l'ureolyse) en CO3(2-) relargue un proton.

Le pH finit par remonter lorsque la précipitation cesse car l'uréolyse n'est pas encore finie.

Conclusions : 

On peut dire que c'est l'activité métabolique des bactérie qui produit dans le milieu des conditions necessaires à la formation du carbonate de calcium et notamment 3 éléments :

-L'augmentation du pH

-L'apport d'ions CO3(2-)

-La présence des bactéries elle même qui constituent des surfaces sur lesquelles les minéraux de CaCO3 peuvent se former. Autrement dit, les surface bactériennes favorisent la nucléation du carbonate de calcium.

Les documents sont tirés de mon article : Disequilibrium d18O values in microbial carbonates as a tracer of metabolic production of dissolved inorganic carbon.

Caroline Thaler, Christian Millo, Magali Ader, Carine Chaduteau,

François Guyot, Bénédicte Ménez.

Journal : Geochimica et cosmochimca acta, volume 199, 2017

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703716306548