Étude : La lumière visible incite les bactéries à produire du superoxyde pour l’oxydation du manganèse

31 mars 2023

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par Presse de l'enseignement supérieur

Les oxydes de manganèse sont des minéraux réactifs naturels et largement répandus dans les environnements aquatiques et terrestres, affectant le devenir des métaux (tels que As3+ et Cd2+) et des polluants organiques (tels que les phénols et le diclofénac) par adsorption et oxydation dans le traitement des eaux usées. On pense généralement que les oxydes de manganèse (III/IV) présents dans l’environnement sont formés par l’oxydation du Mn(II) dissous au cours de processus abiotiques ou biotiques.

L'oxydation du Mn(II) aqueux par l'oxygène dissous est thermodynamiquement favorisée, mais la cinétique est lente en raison de la barrière énergétique élevée de la réaction du Mn(II) dissous aux oxydes de Mn(III/IV). La présence de micro-organismes accélère le taux d'oxydation, qui est 4 à 5 fois plus rapide que le taux d'oxydation chimique abiotique, et est donc considérée comme la source initiale d'oxydes de manganèse dans l'environnement.

Les bactéries capables de catalyser l'oxydation des ions Mn(II) dissous en oxydes de Mn(III/IV) non dissous sont généralement appelées bactéries oxydantes du manganèse. L'oxydation bactérienne des ions Mn(II) est divisée en voies directe et indirecte, et le processus catalysé par les enzymes à la surface des micro-organismes est appelé oxydation directe. Pour les voies indirectes, certaines bactéries peuvent modifier les conditions environnementales environnantes pour l'oxydation du Mn(II) (par exemple, le pH et Eh).

Il a été démontré que le clade de Roseobacter oxyde le Mn (II) en produisant des espèces réactives extracellulaires de l'oxygène dans des études récentes. D’autres clades de bactéries ont-ils des processus d’oxydation du Mn(II) similaires à ceux de Roseobacter ? L’oxydation du Mn(II) est-elle étroitement liée au processus physiologique des bactéries ?

Pour répondre à ces questions, le professeur Feng Zhao de l'Académie chinoise des sciences et les membres de son équipe ont exploré le processus d'oxydation microbienne du manganèse sous la lumière visible en utilisant des micro-organismes d'eau de mer de surface côtière. La relation entre la transformation du Mn(II) soluble en oxydes de Mn(III/IV) insolubles par des micro-organismes et le rôle physiologique a été analysée. Cette étude est publiée dans Frontiers of Environmental Science & Engineering en 2023.

Dans cette étude, l'équipe de recherche a découvert que la lumière visible favorise considérablement le taux d'oxydation du Mn(II) et que le taux moyen atteint 64 μmol/(L·d). Les oxydes de manganèse générés étaient alors propices à l'oxydation du Mn(II), ainsi l'oxydation rapide du manganèse était le résultat de l'action combinée des éléments biotiques et abiotiques, et la fonction biologique représente 88 % ± 4 %.

Le superoxyde extracellulaire produit par des micro-organismes induits par la lumière visible est le facteur décisif de l'oxydation rapide du manganèse dans notre étude. Mais la production de ces superoxydes ne nécessite pas la présence d’ions Mn(II), le processus d’oxydation du Mn(II) s’apparentait davantage à une réaction secondaire involontaire, qui n’affectait pas la croissance des micro-organismes.

Plus de 70 % des micro-organismes hétérotrophes dans la nature sont capables de produire du superoxyde, grâce aux propriétés oxydantes des radicaux libres, toutes ces bactéries peuvent participer au cycle géochimique du manganèse. De plus, la voie d'oxydation du superoxyde pourrait être une source naturelle importante d'oxyde de manganèse.

Cette étude a révélé une voie essentielle pour l’oxydation bactérienne du manganèse. Les bactéries hétérotrophes produisent du superoxyde sous irradiation par la lumière visible et oxydent les ions Mn (II) dans le milieu environnant, qui constitue la principale source d'oxydes de manganèse. Les oxydes de Mn(III/IV) biogénérés peuvent également oxyder indirectement les ions Mn(II) par le biais de réactions abiotiques sous un éclairage lumineux.