identification et caractérisation des mécanismes de ... · tipper et al., 2016 schmitt et al....

Identification et caractérisation des mécanismes de

fractionnements isotopiques élémentaires du calcium dans les sols

MeFraCaSol

Schmitt et al.

Journée de restitution du défi ISOTOP

Vendredi 15 février 2019

Comment gérer la fertilité des sols de façon durable?

Schmitt et al. MITI 15 février 2019

Identifier, évaluer, prédire l’évolution des réservoirs de nutriments du sol et

leurs interactions: stockage/libération

SOL

ATMOSPHERE

LITHOSPHERE

BIO

SP

HE

RE

HY

DR

OS

PH

ER

E

C.A.H Altération

Faune

et flore

Chaleur

et pluies

Rapport de conjoncture 2010 du CNRS; Prospective en SIC 2013/17

WRI-UNEP

Soil degradation types

Water erosion

Wind erosion

Chemical deterioration

Physical deterioration

Severe degradation

Other symbols

Stable terrain

Non-used wasteland

Water bodies

Tipper et al., 2016


Cycle biogéochimique du Ca

Isotopes du Ca:

• Traceurs de l’activité biologique & des processus secondaires dans les sols

• En physiologie végétale & biogéochimie

√ Nutrition minérale des

végétaux

√ Compréhension de la

dynamique des sols

√ Corrélé aux cycles de

nutriments primaires (N, P, K)

√ Indicateur de l’évolution

biogéochimique des sols

MITI 15 février 2019

√ Manque d’informations sur les différents

réservoirs

√ Impact des phases minérales du sol sur le

fractionnement isotopique du Ca?

(Ockert et al., 2013 ; Fantle et Tipper, 2014, Brazier et al., 2019)

√ Impact des phases organiques/bactéries du

sol sur le fractionnement isotopique du Ca?

(Gangloff et al., 2014)

√ Mécanismes sous-jacents?

Schmitt et al.

Solution

SolutionII phases

Recycling

O.M.

Drainage

Droots/solution

Throughfall Litter

Translocation

Surface water

Dsoil/solution

Rainwater

Congruent dissolution

?

?

?

Mieux contraindre le cycle continental du Ca


Identifier les mécanismes sous-jacents

Root Leaves SeedWood Bark

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

d44/4

0C

a (

‰)

Soluble

Structurally-bound

Oxalate

(Schmitt et al., 2017)(Moynier et Fuji, 2017)

Calculs ab-initiaux:

• Intensité fractionnements fonction de la

spéciation du Ca

• d44/40Caoxalates: parmi les plus lourds

dans les végétaux

Expérimentations

• d44/40Caoxalates: parmi les plus légers

dans les végétaux

Réconcilier théorie et pratique


Verrous scientifiques

Identifier les fractionnements isotopiques élémentaires du Ca à l’interface

eau-matrice-organismes (intensité du fractionnement, influence du pH, de la

concentration en Ca initiale, du rapport matrice/solution)

Caractériser les mécanismes de fractionnement sous-jacents (Rayleigh,

échange, adsorption/désorption, complexation…)

Modéliser de manière réaliste des propriétés de fractionnement à

l’équilibre des espèces dissoutes du calcium, en réalisant des calculs d’énergie

libre basés sur des modélisations réalistes de la structure atomique de ces

espèces dissoutes.


Matière organique

Matière silicatée

Complexes

minéral-microbeMinéraux

argileuxRevêtement

organique

Oxide/carbonate/oxalate

Aggrégat du

sol

Adapté de

Chorover et al.

(2007)

Approche expérimentale

Simulation atomistique

MeFraCaSol


Etablissement de

rattachement

Code

Unité

Nom du

laboratoire et/ou

de l’équipe

Pour les unités

rattachées au

CNRS

Personnes impliquées

CNRS 7517 LHyGeS/BISEINSU

DR10

Mme S. GANGLOFF

Mme A.-D. SCHMITT

CNRS 7242 BSC/MMINSB

DR10Mme V. GEOFFROY

CNRS 7140Chimie de la matière

complexe/CMES

INC

DR10Mme R. SCHURHAMMER

CNRS 5563 GET/GISINSU

DR 14M M. MEHEUT

Consortium

Schmitt et al. MITI 15 février 2019Schmitt et al. MITI 15 février 2019

Matière organique

Matière silicatée

Complexes

minéral-microbeMinéraux

argileuxRevêtement

organique

Oxide/carbonate/oxalate

Agrégat du

sol

Adapté de

Chorover et al.

(2007)



J.-M. Brazier

(thèse LHyGeS 2018)

N. Nuvoli

(M1 LHyGeS 2019)

Ch. Masquelet

(M1 LHyGeS 2019)


Adorption/désorption du Ca sur des oxydes de Mn

dMnO2

Dr. Anne-Désirée Schmitt, MC, Université de StrasbourgLaboratoire d’Hydrologie et de Géochimie de Strasbourg, BISE


Saturation sites

avec NaCl 1M (5 cycles

de lavage)

Séchage (72h, 60°C) puis

Broyage manuel, stocké au sec à Tambiante

Centrifugations successives

utilisant la loi de Stockes

=> Fraction minérale de 0.1-1µm

Dialyse(5 cycles de lavage avec H2O)

Préparation du minéral


Précipitation 28g NaOH dans 1440 mL H2O

+ 40g KMnO4 dans 1280 mL H2O

+ 75g MnCl2, (H2O)4 dans 1280 mL H2O

=> Précipités bruns

dMnO2



Phyllomanganate: mauvaise cristallisation, analogie avec la vernadite

(~birnessite désordonnée)

Caractéristiques

CEC

méq/100g

% de CEC

représenté

par du Na

Surface

spécifique

(m2/g)

215 99.2 n.m

pH

[Ca] de la

solution

initiale

µmol/L

% de la

quantité de

Ca

consommée

au maximum

Rapport

solide/solition

(g/L)

Pas de

temps

72360 (i.e. 95

ppm)90-95% 2.5

0, 5, 10, 15,

30, 60, 120

min, 24h, 48h

dMnO2



Expérimentations en batch

Solution

de Ca(concentration=

f(CEC))

Minéral

Rotator

Centrifugation

Récupération du

surnageant (Adsorption par

soustraction)

Récupération du

culot(Desorption en ajoutant

différents désorbants)Un tube = un point de mesure

dMnO2



Cinétique d’adsorption et de désorption (24h avec Cohex 0.02M)

Adsorption rapide, plateau isotopique après 3h

Désorption partielle (~70%): adsorption partiellement irréversible?

Liquides enrichis en isotope lourd 44Ca

Désorption partielle semble fractionner

dMnO2



KNO3 Ac. Am. Cohex

0.1M

1M

0.1M

1M

0.1M

0.01M

0.02M

(3h, 48h, 5j) (24h)

Effets du pH, de la concentration en Ca, du désorbant

• Effet réservoir?

• Effet pH?

• Différents sites d’adsorption?

=> Rechercher des signatures

isotopiques spécifiques

dMnO2


Approche expérimentaleAcides humiques

Coll. Dr. Sophie Gangloff, IR, CNRSLaboratoire d’Hydrologie et de Géochimie de Strasbourg, BISE

Fractionnement isotopique du calcium associé à la

complexation du Ca avec la matière organique

0

20

40

60

80

100

120

2 4 6 8 10 12

Ca (

mg

/L)

pH

Acide humique 1S103H



Suivi potentiométrique (pH et Ca2+)

Pour chaque titration:

• 1S103H* ou acides organiques (citrique,

EDTA, acétique, malonique)

• Variation de la concentration en Ca entre 0.4

et 5mM

• 30 ml de KCl 1M

*1S103H - Pahokee Peat Humic Acid Standard (International

Humic Substances Society)

0

20

40

60

80

100

0.00 0.05 0.10 0.15

Ca c

om

ple

xé (

%)

Ca/Corga (molaire)

Acide humique

1S103H

Ca/Corga= 0.005• Complexation se fait

majoritairement par les fonctions

–COOH

• Comparable à la complexation du

Ca par l’acide citrique (pKD=3)



(entre 2.5 et 11)(entre 2.5 et 11)

Dans chaque tube:

• 22mg d’acide humique

(1S103H)

• 45ml Ca (0.15mM)

• Ajustement du pH avec

NaOH ou HNO3

Expérimentations en batch



Résultats

• Spéciation du Ca varie en

fonction du pH et de l’état de la

matière organique (<3.5:

particulaire; >3.5: dissoute et

colloïdale)

• Résultats acquis

• Interprétations en cours

• Article à rédiger

• d44/40Ca varie pour pH<3.5:

quand le pH augmente, la

fraction particulaire de Ca

augmente et d44/40Ca augmente

• Effet réservoir?



Influence de l’activité bactérienne sur le fractionnement

isotopique du calcium

Laura Gismero

(M1 Microbiol Janv

- mai 2019)

Coll. Dr. Valérie Geoffroy, MCF, Université de Strasbourg

Joshua Malsa

(M1 Microbiol

Juin 2018)

Métaux et micro-organismes : Chimie, biologie et applications

Bactéries



Choix des bactéries

Bactéries

(complexants, très forte affinité pour le fer)


Bactéries Approche expérimentale

Tests préliminaires: détermination des paramètres bactériens

Influence de la composition du

milieu de culture sur la

concentration intracellulaire en

calcium :

- LB (riche en fer)

- Milieu succinate (pauvre en fer)

- Milieu succinate dilué

Tests de survie bactérienne après 6H

d’incubation

Bactéries testées :

- P. aeruginosa Pvd+ Pch+

- P. aeruginosa Pvd+

- P. aeruginosa Pch+

- P. aeruginosa Pvd- Pch-

- B. subtilis

- 106 UFC/mL ou 108 UFC/mL

- Eau stérile ou eau physiologique stérile (9 g/L NaCl)



Influence de la composition du milieu de culture sur la concentration

intracellulaire en calcium

[Ca2+] (ppm) Culture en milieu LB

Milieu riche

Culture en milieu Succinate

Milieu défini pauvre en fer

Pseudomonas aeruginosa WT 3.45 1.78

Pseudomonas aeruginosa Pvd- 2.37 2.36

Pseudomonas aeruginosa Pch- 37.37 0.69

Pseudomonas aeruginosa Pch-Pvd- 1.24 2.14

Bacillus subtilis 8.35 0.45

• Quantité de calcium inférieure en milieu succinate

On peut encore diluer le milieu succinate jusqu’à 1/2

Bactéries


Approche expérimentaleBactéries

Tests de survie bactérienne après 6h d’incubation

Eau p: Eau physiologique

Eau P: eau pure

• 108 UFC/L

• Eau purifiée stérile

En cours: analyse des culots bactériens (déterminer [Ca2+]-d44/40Ca)

Con

ce

ntr

atio

n e

n b

acté

rie

(U

FC

/mL

)

Con

ce

ntr

atio

n e

n b

acté

rie

(U

FC

/mL

)


Approche expérimentaleBactéries

A faire

• Choix du désorbant (EDTA, Cohex, Acétate d’ammonium): tester la survie

bactérienne

• Vérifier que le protocole de lavage des bactéries après adsorption n’entraîne

pas une désorption

• Tester le fractionnement isotopique du Ca en faisant varier différents

paramètres: concentration du Ca en solution (5, 10, 25, 50, 100 µg/mL), pH du

milieu (entre 4 et 8), désorption totale, partielle, cinétique d’adsorption, de

désorption…


Simulation atomistiqueDynamique moléculaire

Coll. Dr. Rachel Schurhammer, MCF, Université de Strasbourg

Etudier les trajectoires temporelles des atomes de Ca en

interaction, à l’aide de la mécanique newtonienne

Chimie de la matière complexe/CMES



Objectifs: dynamique moléculaire classique

- Fournir des structures de départ, en solution, pour le calcul de fractionnement

isotopique en mécanique quantique

- Fournir des vues microscopiques de la solvatation du calcium en présence

1. du solvant

2. de contre-ions

3. de molécules complexantes (type sidérophores)



Méthodes: dynamique moléculaire classique

(Newton - 1686)𝐹𝑖 = 𝑚𝑖𝑎𝑖 =𝜕𝑈

𝜕𝑟𝑖

(a) Dang, L. X.; Smith, D. E. J. Chem. Phys., 1995, 102 (8), 3483-3484; (b) Yoo, J.; Wilson, J.; Aksimentiev, A., Biopolymers, 2016, 105 (10)

752-763 (d) Martinek, T.; Duboue, E.; Timr, S.; Mason, P.E.; Baxova, K.; Fischer, H. E.; Schmidt,B.; Pluharova,E.; Jungwirth,P., J. Chem.

Phys, 2018, 148, 222813

1. Tests de 3 modèles de potentiel (taille, dureté/molesse, charge)2. Envoi des structures obtenues pour calcul de fractionnement

vue de la première sphère de

solvatation du calcium1 CaCl2 + 780 H2O

1 Ca2+ dans une boite de

simulation contenant 100

molécules d’eau



Structures Ca2+ dans l’eau

- Tests des potentiels du calcium basés sur la solvatation du Ca2+ en solution

- Utilisation du modèle 1 pour simuler une « petite » boîte d’eau adaptée aux calculs

quantiques ((Å)=2.895 epsilon=0.1000 charge=+2.0000)

Tests à venir : potentiel issus de calculs de dynamique moléculaire Car-Parrinello,

simulations Ca2+ avec différents contre-ions pour estimer l’impact sur le fractionnement


Simulation atomistiqueCalculs ab initiaux

Coll. Dr. Merlin Méheut, MCF, Université de Toulouse

Etudier la structure électronique qui régit les interactions entre

atomes de calcium à l’aide de la mécanique quantique

GET/GIS



Structures Ca2+ dans l’eau

But = caractériser les propriétés de fractionnement de solides et les ramener àleurs spécificités structurales.

Large étude:

carbonates rhomboédriques (calcite, dolomite…)

oxalates

oxy-hydroxydes

autres carbonates: aragonite, ikaite



Paramètres qui contrôlent la variation de lnbCa

• Variation significative du facteur

beta (5‰ à 25°C)




beta (5‰ à 25°C)

• La coordination joue un rôle

certain, mais on a des exceptions

à la règle « plus c’est coordonné,

plus c’est léger » (notamment

dolomite)





beta (5‰ à 25°C)

• La coordination joue un rôle

certain, mais on a des exceptions

à la règle « plus c’est coordonné,

plus c’est léger » (notamment

dolomite)

• On peut regrouper en terme de

famille aussi.




Ca2+aq

Une trajectoire de dynamique

moléculaire avec 62 H2O a été

générée

On peut calculer le facteur β de

configurations « trempées » dans

l’approximation harmonique (lourd

numériquement).



Ca2+aq

Une trajectoire de dynamique

moléculaire avec 62 H2O a été

générée

On peut calculer le β-facteur de

configurations « trempées » dans

l’approximation harmonique (lourd

numériquement).

On a développé une approche

« allégée » performante (calcul limité

aux premiers voisins)



A faire

Le calcul fait sur Ca2+ (aq) n’est pas nécessairement représentatif: il faut traiterplusieurs configurations et étudier statistiquement le résultat.

La configuration traitée donne Ca2+ en coordinence VI, mais ceci pourrait êtrenon conforme à la réalité (débat sur la coordinence du Ca) --> réalisation deplusieurs dynamiques donnant des coordinences différentes.

Il pourrait être nécessaire d’aller au-delà de l’approximation harmonique:approche path integrals.

identification et caractérisation des mécanismes de ... · tipper et al., 2016 schmitt et al....

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