Biominéralisations, Magnétite, Bactéries magnétotactiques, Magnétofossiles, Vie primitive, Isotopes du fer, Éléments traces

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.