Signature des magnétites produites par les bactéries magnétotactiques : perspectives chimiques et isotopiques

Abstract

Magnetotactic bacteria (MTB) are ubiquitous microorganisms living at oxic-anoxic transition zones and producing intracellular magnetite (Fe3O4) or greigite (Fe3S4) nanocrystals. Phylogenetic studies suggest that MTB developed as early as the Archean period (2.5-3.8 Ga). However, it is difficult to study when their emergence occurred, especially because the traces left by MTB in sedimentary rocks are hard to identify. After the death of these microorganisms, biominerals, and in particular magnetite, are the only detectable remains in the sedimentary record. They are called magnetofossils. In order to distinguish magnetite of abiotic origin from magnetofossils, and to demonstrate the presence of MTB as early as the Archean, morphological and magnetic criteria are insufficient.The main objective of this thesis was to develop geochemical and isotopic tools to be able to identify magnetofossils. Preliminary work by Amor et al. (2015, 2016) showed that a freshwater MTB strain, Magnetospirillum magneticum (AMB-1) produces magnetosomes with unique geochemical signature and iron isotopic composition, both being distinct from abiotic magnetite. In the present thesis, similar criteria were tested on a marine MTB strain, Magnetovibrio blakemorei (MV-1), producing magnetite nanocrystals different from AMB-1. The influence of iron concentration and redox state of the medium on bacterial biomineralization have been explored. The strain MV-1 was grown in media with an increasing range of iron concentration (30, 50, 100, and 150 µM) and with Fe(II) or Fe(II)-Fe(III) mixture. The cellular components of MV-1 were then separated and purified before analysis by mass spectrometry. The magnetite produced by MV-1 are depleted in most chemical elements, confirming previous studies suggesting a high purity of magnetite produced by MTB. Nevertheless, they show significant enrichment in Mo, Se and Sn in contrast to abiotic magnetite. These enrichments are similar to those reported for the strain AMB-1 and could therefore be a general feature of MTB. Comparison of iron-normalized partition coefficients (Ki,Fe) between the two MTB strains allows us to build a geochemical profile of the biologically-derived nanocrystals of magnetite to distinguish them from abiotic magnetite. Iron isotope measurements led to two main conclusions. First, an apparent fractionation between magnetite and the growth medium, measured for strains MV-1 and AMB-1, indicates a preferential incorporation of light iron isotopes while abiotic magnetite shows an enrichment in heavy isotopes. Secondly, no 57Fe isotopic anomaly could be detected in MV-1 cultures, contrasting with the results observed for AMB-1. This result suggests that this second criterion is strain-dependent and cannot be extended to all MTB species. The geochemical and isotopic results obtained for AMB-1 and MV-1 strains must now be tested on environmental MTB from natural systems. During this thesis, two methods were developed for the collection and purification of environmental MTB samples in either water column or sediments. These methods were tested and adapted over several field trips at Lake Pavin (Massif Central), a stratified lake with deep anoxic and ferruginous waters. These methods will allow the collection of large quantities of MTB and thus meet the requirements for future geochemical analyses.Les bactéries magnétotactiques (MTB) sont des microorganismes ubiquitaires vivant aux interfaces oxiques-anoxiques et produisant des nanocristaux de magnétite (Fe3O4) ou de greigite (Fe3S4) intracellulaires. Les études phylogénétiques convergent vers une émergence des MTB précoce dans l'histoire de la vie, probablement dès la période Archéenne (2.5-3.8 Ga). Dater précisément leur apparition n'a pour l'heure pas été possible, notamment car les traces de vie laissées par les MTB dans les roches sédimentaires sont difficilement identifiables. À la mort de ces microorganismes, les biominéraux, et en particulier la magnétite, constituent les seuls restes détectables dans le registre sédimentaire. On leur attribue le nom de magnétofossiles. Afin de distinguer les magnétites d'origine abiotique des magnétofossiles et de pouvoir attester de la présence de MTB dès l'Archéen, les critères morphologiques et magnétiques sont insuffisants. L'objectif principal de cette thèse a consisté à développer des critères géochimiques et isotopiques pour permettre à terme d'identifier des magnétofossiles. Des travaux préliminaires par Amor et al. (2015, 2016) avaient montré qu'une souche de MTB d'eau douce, Magnetospirillum magneticum (AMB-1) produit des magnétosomes possédant une signature géochimique et une composition isotopique en fer unique, toutes deux différentes des magnétites abiotiques. Dans ce travail de thèse, ces critères ont été testés sur une souche de MTB marine, Magnetovibrio blakemorei (MV-1), produisant des nanocristaux de magnétite différents de la souche AMB-1. L'influence de la concentration en fer et de l'état redox du milieu sur les biominéralisations bactériennes a été explorée. La souche MV-1 a été cultivée dans des milieux présentant une gamme croissante de concentrations en fer (30, 50, 100 et 150 µM) et avec du Fe(II) ou un mélange de Fe(II)-Fe(III). Les composants cellulaires de MV-1 ont ensuite été séparés et purifiés avant d'être analysés par spectrométrie de masse. Les magnétites produites par MV-1 sont appauvries en de nombreux éléments chimiques, ce qui confirme les études précédentes évoquant une grande pureté des magnétites produites par les MTB. Elles présentent néanmoins des enrichissements importants en Mo, Se et Sn à l'inverse des magnétites abiotiques. Ces enrichissements sont similaires de ceux rapportés pour la souche AMB-1 et pourraient donc être caractéristiques des MTB. La comparaison des coefficients de partage normalisés au fer (Ki,Fe) entre les deux souches a permis de dresser un profil géochimique des magnétites d'origine biologique permettant de les différencier des magnétites abiotiques. Les mesures isotopiques du fer ont quant à elles mené à deux conclusions majeures. Tout d'abord, un fractionnement apparent entre la magnétite et le milieu de croissance, mesuré pour les souches MV-1 et AMB-1, indique une incorporation préférentielle d'isotopes légers du fer alors que les magnétites abiotiques présentent un enrichissement en isotopes lourds. Ensuite, aucune anomalie isotopique sur le 57Fe n'a pu être détectée lors des cultures de MV-1, contrairement à ce qui avait été observé chez AMB-1. Ce résultat suggère que ce second critère soit souche-dépendant et ne puisse être étendu à l'ensemble des MTB. Les résultats géochimiques et isotopiques obtenus sur les souches AMB-1 et MV-1 doivent maintenant être testés dans le milieu naturel sur des MTB environnementales. Au cours de cette thèse, plusieurs missions de terrain menées au lac Pavin (Massif Central) ont permis de mettre au point des méthodes de prélèvement et purification des MTB présentes dans la colonne d'eau et les sédiments. Ces méthodes permettront de collecter de grandes quantités de MTB et de répondre ainsi aux exigences en termes de quantité de matériel pour les futures analyses géochimiques