ET7.1 : (Bio)Géochimie Expérimentale

ET7 1.1 Propriétés thermodynamiques et cinétiques de dissolution/précipitation des minéraux

Personnes impliquées : P. Bénézeth, E. Oelkers, O. Pokrovsky, C. Noiriel, J. Schott, A. Castillo, P. Gisquet, C. Causserand

 

L’acquisition, l’interprétation et l’application de données thermodynamiques et cinétiques (minéraux, espèces aqueuses, isotopes stables) nécessaires à la modélisation de processus naturels ou appliqués (stockage géologique du CO2, labélisé Carnot ISIFoR, par exemple) dans lesquels interviennent les interactions fluide-minéraux se poursuivront dans le cadre de ce projet. Il s’agira en particulier :

  • Continuer nos efforts sur la solubilité des minéraux carbonatés (dolomite, ankérite…) et sur leurs cinétiques de précipitation
  • Identifier les mécanismes de nucléation
  • Quantifier les coefficients de partage des métaux divalents et des terres rare entre carbonates de calcium et solution
  • Quantifier la cinétique de l’altération chimique
  • Mettre au point des cellules optiques couplées aux méthodes IR, UV-Vis, Raman
  • D’étudier les processus couplés chimie-transport à l’échelle du pore
Figure1

Modélisation de la densité de sites actifs sur les faces cristallines des minéraux en vue de quantifier la cinétique de l’altération chimique

       

Figure2

Développement expérimental et processus couplés chimie-transport à l’échelle du pore

 

Approches expérimentales :

  • Réacteurs à circulation,
  • Cellules à hydrogènes,
  • Cellules optiques couplées aux méthodes IR, UV-Vis, Raman HAFM,
  • Microtomagraphie X…

ET7 1.2. Isotopie expérimentale

Personnes impliquées: V. Mavromatis, J. Schott, E. Oelkers, O. Pokrovsky, P. Bénézeth

  • Application des isotopes stables (Ca, Mg, Si…) à la caractérisation des mécanismes de formation des couches altérées qui se forment à la surface des silicates lors de leur dissolution : mesurer le fractionnement des isotopes de Ca/Mg et Si entre minéral et solution lors de la dissolution afin de déceler les réactions d’échange Ca/Mg-H+ et de distinguer la précipitation de silice à la surface des réactions de condensation du réseau silicaté (projet d’ANR ICE CREAM, coordinateur : LHyGeS, Strasbourg).
  • Etude du fractionnement cinétique et à l’équilibre d’isotopes non traditionnels (Mg, Zn, Ni Ca, Cu, B) lors de la précipitation des carbonates en vue de reconstitutions paléo-environnementales: les résultats récents de notre équipe, notamment grâce à l’utilisation des diagrammes à 3 isotopes, ouvrent des perspectives prometteuses pour révéler, à partir de la composition isotopique des impuretés métalliques contenues dans les carbonates, les conditions de formation de ces minéraux et ainsi les paramètres paléo-environnementaux des océans et la pCO2 au cours des temps géologiques. Dans le cadre du réseau Marie Curie ITN ‘IsoNose’, une étude expérimentale rigoureuse de la cinétique d’incorporation et de fractionnement isotopique de Ni en présence et en l’absence de ligands inorganiques (Cl-, SO42-) et organiques (acides carboxyliques) sera donc réalisée en fonction du pH afin de calibrer leur fractionnement dans la cadre des diagrammes à 3 isotopes. Ces données expérimentales seront confrontées aux résultats de la modélisation ab initio (Merlin Méheut, ET8).
  • Modélisation expérimentale et théorique (en collaboration avec Merlin Méheut, ET8) du fractionnement isotopique à l’équilibre entre silice amorphe et solution et entre les principales espèces inorganiques et organiques du silicium en solution. Bourse Marie Curie IsoNose (collaboration avec IPGP).
  • Une étude expérimentale et théorique (calculs ab initio) du fractionnement des isotopes de B lors de sa sorption et coprécipitation avec la calcite et l’aragonite est menée dans le cadre del’ANR CARBORIC (collaborations avec J Gaillardet (IPGP), E. Balan (IMPMC) et V. Montouillout (Centre RMN du CEMHTI d’Orléans) en vue d’établir de nouvelles courbes de calibration des paléo pH des océans à partir du fractionnement des isotopes de B entre solution et ce minéral en fonction du pH, de la spéciation de cet élément dans le solide et la solution et de la vitesse de précipitation
  • Les lois et paramètres décrivant les fractionnements cinétiques chimique et isotopique des impuretés de métaux divalents lors de la dissolution/précipitation des carbonates et le fractionnement isotopique du silicium entre silice/silicates et solution seront incorporés dans WITCH (modèle développé par Y. Goddéris au GET, ET4. Projet ANR CRITICAL, INSUEC2CO/BIOHEFFECT.

 

Figure3

Measure de δ11B versus pH pour l'aragonite et la calcite, tiré de Noireaux et al. (2015), EPSL

ET7  1.3. Modélisation expérimentale de la précipitation des minéraux carbonatés lors de l’activité bactérienne

Personnes Impliquées : O. Pokrovsky, L. Shirokova, B. Lartiges, P. Bénézeth, C. Monnin, V. Mavromatis

Le but de cette étude sera de construire un modèle quantitatif et prédictif qui relie la productivité primaire (PP, ou la croissance de biomasse) à la quantité et la nature du minéral précipité. En suivant in-situ et en continu la précipitation des minéraux carbonatés de Ca, Fe et Mg et des minéraux silicatés (silice amorphe, sepiolite) en présence des cyanobactéries et d’algues vertes. Des outils spectroscopiques (FT-IR, Raman), microscopiques (MET) et isotopiques (C, O, Ca, Mg, Fe, Si) seront utilisés afin de mieux contraindre les mécanismes de bio-précipitation et d’élaborer de nouveaux outils paléo-traceurs des processus biologiques versus abiotiques.

D’autre part, dans la plupart des biosphères que l'on trouve dans les formations géologiques envisagées pour le stockage de CO2 par exemple, des bactéries méthanogènes peuvent coexister avec des bactéries productrices d’hydrogène. Le CO2 peut ainsi réagir avec l’hydrogène d'origine biogénique pour former du méthane. Nous comptons mener au laboratoire une campagne d'expériences pour élucider les mécanismes de cette interaction minéral-vivant qui produit du méthane et de l'hydrogène dans un processus générique communément dénommé Fisher-Tropsch, sans que son mécanisme exact soit actuellement élucidé.

Enfin, la taille micrométrique des bactéries combinée au développement récent d'outils tels que les pinces optiques, magnétiques, ou les différentes formes de microscopie à sonde locale, permettent d'envisager une manipulation individuelle de ces microorganismes qui ouvre un champ d'expérimentation nouveau dans l'étude de la dynamique des communautés bactériennes agrégées. Nous chercherons donc d'une part à adapter des bactéries de typeEscherichia coliaux techniques de micromanipulation magnétiques en leur associant des virus magnétiques (particules magnétiques et fluorescentes encapsidées), et d'autre part, à explorer les opportunités offertes par la technique des pinces magnétiques et les montages de microfils magnétiques sur des biofilms ou agrégats formés à partir de ces bactéries magnétiques. Ce projet fait actuellement l'objet d'un financement INSU-EC2CO (Microbien).

 

Figure4

Rôle du pH, T, pCO2, lumière, COD d’origines différentes, sur la vitesse de précipitation des minéraux, de minéralisation de la matière organique et sur la production de CO2, CH4 par les bactéries hétérotrophes ?

 

 

Figure5

Rendre une bactérie magnétique et la manipuler

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