cycle du fer et du manganèse

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réactions de réduction et de solubilisation

En milieu anaérobie ou anoxique, les formes oxydées Fe(III) et Mn(IV) peuvent jouer un rôle d’accepteurs d’électrons pour permettre l’oxydation, par voie bactérienne, de diverses matières organiques biodégrada­bles (glucides, acides organiques…), le stade ultime étant le CO2 ; ce processus, appelé réduction dissimila­toire, aboutit à la solubilisation des oxydes de fer et de manganèse, par suite d’un abaissement simultané du Eh et du pH, et à l’apparition d’ions réduits Fe2+ et Mn2+ dans l’eau.

Ces réactions sont causées par de nombreuses bactéries hétérotrophes, parmi lesquelles les genres Aci­netobacter, Bacillus, Pseudomonas… sont largement représentés. Dans la Nature, elles se produisent fré­quemment dans les eaux souterraines et les sédiments, où elles constituent l’un des phénomènes biogéochimiques les plus importants (d’où la nécessité de déferriser et démanganiser les eaux souterraines et de fond de lacs). On peut aussi les constater dans les filtres colmatés lorsqu’ils passent en état d’anoxie pendant une période d’arrêt.

réactions d’oxydation

En milieu aérobie ou micro-aérobie, suivant le pH, certaines bactéries spécifiques peuvent trouver des conditions favorables pour se développer en provoquant une oxydation de Fe(II) et Mn(II).

fer

L’oxydation du fer, exothermique, peut être catalysée par certaines bactéries grâce aux enzymes d’oxydo­réduction qu’elles excrètent (flavines) : le fer trivalent, insolubilisé sous forme d’hydroxyde Fe(OH)3 ou d’oxy-hydroxyde FeOOH, est ensuite accumulé sur les sécrétions mucilagineuses (gaines, pédoncules, cap­sules…) de ces bactéries. Les organismes responsables de ces phénomènes sont surtout des Sidérobacté­riales, notamment :

  • Chlamydobactériacées : Leptothrix (L. ochracea, L. crassa, L. discophora) ;
  • Crenothricacées : Crenothrix (Cr. polyspora), Clonothrix (Cl. ferruginea, Cl. fusca) ;
  • Siderocapsacées : Siderocapsa, Ferrobacillus, Sideromonas ;
  • Gallionellacées : Gallionella (G. ferruginea, G. major) ;
  • ou des Protobactériacées (Thiobacillus ferro-oxydans).

Cette oxydation répond à une double finalité :

  • fournir l’énergie nécessaire au développement des espèces autotrophes ;
  • détoxifier le milieu en éliminant le fer dissous, nocif pour ce type de bactéries.

Parmi ces diverses bactéries, trois genres principaux sont aisément reconnaissables à l’observation microscopique :

  • Leptothrix : filament (ou trichome) contenant une file unique de cellules cylindriques et entouré d’une gaine ; celle-ci est d’abord mince et incolore, puis elle s’épaissit et prend une couleur brune de plus en plus accentuée à mesure qu’elle s’imprègne de fer oxydé (photo 3),
  • Crenothrix : les trichomes sont évasés à une extrémité, par laquelle des cellules sporulées (conidies) s’échappent sur plusieurs rangs pour aller former de nouveaux trichomes. L’évolution de leur gaine est la même que celle des Leptothrix,
  • Gallionella : cellules isolées, attachées en principe à un pédoncule spiralé (ramifié ou non) qu’elles ont sécrété. En fait, la liaison est fragile et il est fréquent de ne retrouver que le pédoncule (photo 4).
Leptothrix ochracea & Gallionella ferrugineaImage sécurisée
Photo 3 & 4. Leptothrix ochracea x 400 & Gallionella ferruginea x 1 000

manganèse

La plupart de ces organismes (sauf Gallionella) peuvent également provoquer l’oxydation du manganèse en MnO2, à condition que l’oxydation du fer soit terminée s’il y avait au départ coexistence de ces deux éléments ; en outre, d’autres bactéries présentent à cet égard une action spécifique, par exemple :

  • bactéries vraies : Pseudomonas (Ps. manganoxydans), Metallogenium (M. personatum, M. symbioticum) ;
  • Siderobactériales : Leptothrix (L. echinata, L. lopholes) ;
  • Hyphomicrobiales : Hyphomicrobium (H. vulgare).

conséquences pratiques

L’action de ces micro-organismes est à la base des traitements biologiques de déferrisation-démangani-sation des eaux souterraines (voir élimination du fer et élimination du manganèse), mais elle peut en revanche être néfaste dans les captages d’eau brute, en provoquant des colmatages de puits, et à l’intérieur des tuyauteries en fonte ou en acier, en provoquant une corrosion bactérienne (voir corrosion microbiologique).

pour aller plus loin :