Processus microbiens de formation des gisements sédimentaires de

Processus microbiens de formation des gisements sédimentaires de phosphate actuels et
passés
Ecole Doctorale 398 Géosciences et Ressources Naturelles
Nom, label de l'unité de recherche (ainsi que l'équipe interne s'il y a lieu) :
Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés (IMPMC), UMR 7590 CNRS/UPMC
Localisation (adresse) : IMPMC, Case 115, 4 place Jussieu, 75005 PARIS
Directeur de thèse : Karim BENZERARA (DR2 CNRS, IMPMC, Equipe Géobiologie)
Co-directrice de thèse : Elodie DUPRAT (MCF UPMC, IMPMC, Equipe Prédiction des Structures
Protéiques)
Adresse courriel des contacts scientifiques : [email protected], [email protected]
Le phosphore a été un élément essentiel ainsi qu’un des nutriments limitants pour la biosphère
au cours des temps géologiques. Il est par conséquent important de mieux comprendre son cycle
géochimique global et notamment les processus qui ont pu le modifier au cours des temps
géologiques. Un piège particulièrement important du phosphore à la surface de la Terre est constitué
par les phosphorites. Il s’agit d’immenses formations sédimentaires riches en phosphate de calcium,
exploitées par l’Homme notamment pour la production d’engrais agricoles et dont on pense qu’elles
ont été formées via l’action de bactéries. Actuellement, les phosphorites en formation sont
principalement localisées au niveau des zones d’upwelling des marges continentales du Pérou, du
Chili, du Mexique et de la Namibie, caractérisées par de forts taux de production primaire. Malgré
l’importance géobiologique de ces gisements, les mécanismes biogéochimiques à l’œuvre lors de leur
formation restent pourtant mal compris.
Un acteur particulier est proposé de plus en plus souvent dans la littérature : il s’agit des
phosphatases, qui sont des enzymes libérant du phosphate par hydrolyse de molécules organiques. Les
bactéries accumuleraient du phosphate dans leurs molécules organiques puis après sédimentation
libéreraient ce phosphate grâce à ces enzymes et induiraient ainsi la précipitation de phosphates de
calcium. Cette vaste superfamille comprend une grande diversité d’enzymes, dont au moins trois
familles de phosphatases alcalines microbiennes (PhoA, PhoD, PhoX). Celles-ci diffèrent notamment
par leur séquence, leur structure, leur spécificité de substrat, leur localisation cellulaire, leur mode de
régulation et la nature de leurs coenzymes métalliques. Jusqu’ici, il n’y a pas eu d’étude de fond
destinée à comprendre comment la diversité de ces phosphatases influence la biominéralisation des
phosphates de calcium. Ainsi, on peut a priori faire l’hypothèse que différentes phosphatases avec
différents substrats, activité, localisation cellulaire ou mode de régulation vont avoir une efficacité
différente pour la biominéralisation. Si c’est le cas, il faudra alors s’intéresser spécifiquement aux
espèces microbiennes qui les synthétisent lorsque l’on souhaite identifier les acteurs de la formation
des dépôts de phosphate de calcium. Cette hypothèse reste entièrement à tester. De plus, il faudra
comprendre comment les variations des conditions environnementales (variations de pH, présence ou
absence d’O2, …) modifient ces processus microbiens impliqués dans la précipitation de phosphates.
L’objectif de la thèse est d’établir un modèle intégratif des processus géobiologiques de
formation des phosphorites grâce à une approche couplant les méthodes de pointe de la
minéralogie (spectroscopie, microscopies électroniques) et celles de la biologie. Le/la doctorant(e)
aura plus particulièrement en charge l'étude de l'activité biominéralisante de souches bactériennes
associées à des contextes environnementaux de phosphatogenèse intense. Par exemple, il/elle
disposera de souches bactériennes isolées à partir d'échantillons naturels actuels du lac Pavin (France)
et/ou de la marge continentale du Pérou, qui présentent d'intenses activités phosphatasiques. Le/la
doctorant(e) étudiera la capacité de ces souches à initier la précipitation de matériaux phosphatés au
laboratoire en fonction de différents paramètres environnementaux contrôlés (conditions
oxiques/anoxiques, ...). Cette approche expérimentale sera réalisée en parallèle de l'analyse
bioinformatique de données métagénomiques et géochimiques. Enfin, des études in situ seront menées
sur l’activité de phosphatogenèse au lac Pavin.
Cette thèse se déroulera dans un contexte fortement pluridisciplinaire, à une interface
nouvelle entre microbiologie, biologie moléculaire et sciences de la terre, avec un intérêt
particulier pour le contexte environnemental.
Mots clés : phosphorites, biominéralisation, diversité microbienne, activité enzymatique, conditions
environnementales
Connaissances et compétences requises : Aucune connaissance ou compétence n’est requise a priori.
Les candidats avec une formation en biologie et/ou en sciences de la Terre seront considérés. Le
principal critère requis est un intérêt certain pour l’ouverture vers différentes disciplines (sujet
interdisciplinaire) et les questions posées dans le cadre de la géobiologie (interactions
vivant/minéraux).
Financement : Ce projet est soutenu par le programme INTERRVIE 2013 (Interaction Terre/Vie,
CNRS INSU).
Références bibliographiques :
- Kathuria S. and Martiny A.C. (2011) Prevalence of a calcium-based alkaline phosphatase
associated with the marine cyanobacterium Prochlorococcus and other ocean bacteria. Env.
Microbiol., 13(1):74-83.
- Temperton B., Gilbert J.A., Quinn J.P. and McGrath J.W. (2011) Novel analysis of oceanic
surface water metagenomes suggests importance of polyphosphate metabolism in oligotrophic
environments. PLoS One, 6(1):e16499.
- Biddle J.F., Fitz-Gibbon S., Schuster S.C., Brenchley J.E. and House C.H. (2008) Metagenomic
signatures of the Peru margin subseafloor biosphere show a genetically distinct environment.
PNAS, 105(30):10583-10588.