Mineral-organic-microbe interactions: Environmental impacts from molecular to macroscopic scales

The role of microbes in geological processes is discussed with particular reference to the geochemical cycle involving iron. Microbial oxidation of Fe(II) minerals can occur via at least three mechanisms, the most important involving acidophilic prokaryotes which promote oxidation of iron sulphides. Accelerated breakdown of arsenopyrite is a good example, where multi-step electrochemical reactions are facilitated by the presence of organisms such as Leptospirillum ferrooxidans. Other organisms actively promote the reduction of Fe(III) to more soluble Fe(II). Reduction rates are highly variable, depending on mineral substrate, with oxyhydroxides being most reactive. Proper understanding of such redox processes requires knowledge of interactions at the molecular scale. Advances are being made through genetic studies of relevant organisms, and of mineral surfaces as exemplified by our experimental and computational studies of iron oxides such as magnetite, the reaction of which with simple organic molecules shows diverse behaviour. Mineral-organic interactions precede formation of bacterial biofilms, which can create local geochemical environments causing mineral precipitation. Biofilms and precipitate phases can have a major influence on fluid flow through fractures or porous media as we demonstrate using experiments from micro- to macro-scales.

RésuméLe rôle des microbes dans les processus géologiques est ici discuté, particulièrement en référence avec le cycle géochimique incluant le fer. L’oxydation microbienne des minéraux Fe(II) peut se produire via au moins trois mécanismes dont le plus important inclut des procaryotes acidophiles qui induisent l’oxydation des sulfures de fer. La décomposition accélérée de l’arséniopyrite en est un bon exemple, dans lequel les réactions électro-chimiques à étapes multiples sont facilitées par la présence d’organismes tels que Leptospirillum ferrooxidans. L’activité d’autres organismes favorise la réduction de Fe(III) en Fe(II) plus soluble. La vitesse de réduction est très variable, dépendant du substrat minéral, les oxy-hydroxydes étant les plus réactifs. La compréhension exacte de tels processus redox requiert la connaissance des interactions à l’échelle moléculaire. Des avancées ont été réalisées grâce à des études génétiques d’organismes appropriés et de surfaces de minéraux, ainsi que le donnent comme exemples nos études expérimentales et par ordinateur d’oxydes de fer, tels que la magnétite, dont la réaction avec de simples molécules organiques montre des comportements divers. Les interactions minéral-matière organique précèdent la formation de microfilms bactériens qui peuvent créer des environnements géochimiques locaux induisant la précipitation minérale. Les biofilms et les phases précipitées peuvent avoir une influence majeure sur l’écoulement des flux à travers les fractures des milieux poreux, ainsi que nous le démontrons par des expériences à micro- et macro-échelle.