Première observation d’un "effet vital" sur les isotopes de l’oxygène des carbonates produits par une bactérie

Mercredi, 15 février 2017

Une étude pluridisciplinaire a permis à deux équipes de l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP / CNRS / Université Paris Diderot / Université La Réunion) de mettre en évidence que, comme certains organismes à squelettes carbonatés, la bactérie Sporosarcina pasteurii présente dans le sol induisait la précipitation de carbonates solides dont la composition isotopique en oxygène était en déséquilibre par rapport à celle de l’eau environnante. Les chercheurs ont également pu démontrer expérimentalement que c’était le métabolisme de la bactérie qui induisait ce déséquilibre isotopique. Ce résultat pourrait avoir de profondes implications dans les reconstructions des conditions paléo-environnementales ou de formation de sédiments basées sur l’analyse des compositions isotopiques des carbonates.

La composition isotopique en carbone et oxygène des carbonates solides est un bon traceur des conditions chimiques et physiques qui prédominaient lors de leur précipitation. Elle est donc largement utilisée pour étudier les paléo-températures des océans ou les conditions de formation des roches sédimentaires (diagénèse).
Cependant, l'interprétation de cet enregistrement peut devenir compliquée si ces carbonates ont été formés par des organismes vivants. En effet, des études ont montré

  • que les coquilles carbonatées de nombreux organismes eucaryotes phytoplanctoniques présentaient un déséquilibre isotopique en oxygène par rapport à l’eau dans laquelle ils vivaient, c’est-à-dire que le fractionnement isotopique de l’oxygène entre ces coquilles et l’eau était différent de celui qu’il aurait été si leur croissance s’était produite dans des conditions d’équilibre avec l’eau ;
  • et que ce déséquilibre pourrait être dû à l’activité métabolique de ces organismes, autrement dit être un "effet vital".

Les chercheurs de deux équipes de l’IPGP ont mené une étude visant à déterminer si les carbonates issus de l’activité métabolique de microorganismes procaryotes pouvaient également présenter de tels déséquilibres isotopiques en oxygène par rapport à leur environnement, une question majeure compte tenu des implications potentielles importantes pour la reconnaissance de carbonates d’origine biologique dans les sols, sous-sols et sédiments.

Calcites observées en microcopie électronique à balayage (BSE), montrant sur leur surface des empreintes de bactéries responsables de leur précipitation et de leur signature isotopique en déséquilibre avec l’eau pour l’oxygène. Les chercheurs ont mesuré les compositions isotopiques en oxygène des carbonates de calcium formés par l’activité métabolique de Sporosarcina pasteurii, une bactérie carbonatogène du sol dont le métabolisme produit du dioxyde de carbone dissous (CO2) qui finit par précipiter sous forme de carbonates de calcium solides en présence de calcium lorsque le milieu devient sursaturé vis-à-vis de ce minéral.
Les chercheurs ont ainsi pu montrer que le fractionnement isotopique de l’oxygène entre les carbonates formés par la bactérie et l’eau était 25 ‰ plus faible que celui attendu dans le cas d’une précipitation de ces minéraux en équilibre isotopique avec l’eau.
Ce résultat démontre pour la première fois que, comme certains eucaryotes, les bactéries peuvent induire une précipitation de carbonates de calcium en fort déséquilibre isotopique avec l’eau pour l’oxygène.

Afin de déterminer l’origine de ce déséquilibre, les chercheurs ont ajouté à leur culture de l’anhydrase carbonique, une enzyme capable d’accélérer l’équilibrage des isotopes de l’oxygène entre le CO2 et l’eau. Les carbonates microbiens produits dans ces conditions s’étant avérés en équilibre isotopique avec l’eau, les chercheurs ont pu attribuer sans ambiguïté le déséquilibre isotopique observé précédemment à un déséquilibre isotopique entre le CO2 produit métaboliquement et l’eau.
La production métabolique de CO2, étant un processus courant dans de nombreux métabolismes microbiens produisant des carbonates, les chercheurs estiment que les fractionnements isotopiques hors équilibre de l’oxygène provoqués par une activité métabolique sont probablement plus répandus que ce qui est actuellement considéré et que donc des précautions doivent être prises lorsque les compositions isotopiques en oxygène de carbonates bio-induits sont utilisées, notamment lors de reconstitutions diagénétiques et paléo-environnementales.
De plus, il est possible que ce nouvel effet permette de discriminer, dans nombre d’environnements où cette distinction est très difficile, des carbonates bactériens de ceux produits par des processus exclusivement inorganiques.

Ce travail a été en partie financé par le programme de recherche sur le stockage du CO2 (IPGP, Ademe, Total, Schlumberger).

Source(s): 

Disequilibrium δ18O values in microbial carbonates as a tracer of metabolic production of dissolved inorganic carbon. Thaler, C., Millo, C., Ader, M., Chaduteau, C., Guyot, F., & Ménez, B. (2017). Geochimica et Cosmochimica Acta, 199, 112-129.

Contact(s):
  • Caroline Thaler, CR2P
    caroline [dot] thaler [at] mnhn [dot] fr

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