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

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. Habituellement, on pense que les oxydes de manganèse (III/IV) dans l’environnement sont formés par l’oxydation du Mn(II) dissous par des 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 haute barrière énergétique de la réaction du Mn(II) dissous vers les oxydes de Mn(III/IV). La présence de micro-organismes accélère le taux d’oxydation, qui est de 4 à 5 ordres de grandeur plus rapide que le taux d’oxydation chimique abiotique, 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 Mn(III/IV) non dissous sont généralement appelées bactéries oxydant le manganèse. L’oxydation bactérienne des ions Mn(II) est divisée en voies directe et indirecte, et le processus catalysé par des enzymes à la surface des micro-organismes est appelé oxydation directe. Pour les voies indirectes, certaines bactéries peuvent modifier leurs 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 extracellulaires réactives de l’oxygène dans des études récentes. Est-ce que d’autres clades de bactéries ont des processus d’oxydation du Mn(II) similaires avec 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 les microorganismes et le rôle physiologique a été analysée. Cette étude est publiée dans Frontières des sciences et de l’ingénierie de l’environnement en 2023.

Dans cette étude, l’équipe de recherche a découvert que la lumière visible favorise grandement 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 de biotiques et abiotiques, et la fonction biologique représente 88 % ± 4 %.

Le superoxyde extracellulaire produit par les micro-organismes induit 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) ressemblait plus à une réaction secondaire involontaire, qui n’affectait pas la croissance des micro-organismes.

Plus de 70 % des microorganismes 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 à la lumière visible et oxydent les ions Mn(II) dans le milieu environnant, qui est la principale source d’oxydes de manganèse. Les oxydes de Mn(III/IV) biogénérés peuvent également oxyder indirectement les ions Mn(II) par des réactions abiotiques sous un éclairage lumineux.

De nombreuses bactéries présentes dans l’environnement qui produisent activement ou passivement du superoxyde peuvent également oxyder le Mn(II) de cette manière, ce qui suggère que la voie d’oxydation du manganèse par le superoxyde est un comportement courant dans l’environnement. À la lumière des propriétés d’oxydation et des propriétés semi-conductrices des oxydes de manganèse, cette recherche apportera de nouvelles idées pour le traitement de la pollution environnementale.