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Biomineralization of calcium carbonate by marine bacterial strains isolated from calcareous deposits

Biominéralisation du carbonate de calcium par des souches bactériennes marines isolées de dépôts calco-magnésiens

¹ LIENSs UMR 7266 CNRS La Rochelle Université, avenue M. Crépeau, 17000 La Rochelle, France
² LaSIE UMR 7356 CNRS La Rochelle Université, avenue M. Crépeau, 17000 La Rochelle, France

^* e-mail: julia.vincent1@univ-lr.fr

Received: 20 December 2019
Accepted: 9 September 2020

Abstract

Biomineralization induced by microbial enzymes, which catalyse CaCO₃ precipitation, is a promising field of research for various applications in building eco-materials. Especially, this could provide an eco-friendly process for protection of coastal areas against erosion. In the present investigation, fourteen bacterial strains were isolated and characterized from both natural seawater and calcareous deposits formed on a cathodically protected steel mesh in marine environment. All of them induced calcium carbonate precipitation in various media by producing urease and/or carbonic anhydrase enzymes. The calcium carbonate minerals produced by bacteria were identified by microscopy and µ-Raman spectroscopy. In parallel, an experimental set-up, based on a column reactor, was developed to study biomineralization and microbial capacity of Sporosarcina pasteurii to form sandy agglomerate. These well-known calcifying bacteria degraded the urea present in liquid medium circulating through the column to produce calcium carbonate, which acted as cement between sand particles. The bio-bricks obtained after 3 weeks had a compressive strength of 4.2 MPa. 20% of the inter-granular voids were filled by calcite and corresponded to 13% of the total mass. We successfully showed that bio-column system can be used to evaluate the bacterial ability to agglomerate a sandy matrix with CaCO₃.

Résumé

La biominéralisation induite par des enzymes microbiennes qui catalysent la précipitation du CaCO₃ est un domaine de recherche prometteur pour diverses applications dans les éco-matériaux de construction. Cela pourrait en particulier permettre d’établir un procédé écologique de protection des zones côtières contre l’érosion. Dans le cadre de la présente étude, quatorze souches bactériennes ont été isolées à partir d’eau de mer naturelle et de dépôts calcaires formés sur une grille en acier placée sous protection cathodique en milieu marin. Toutes ces bactéries ont induit la précipitation de carbonate de calcium dans divers milieux en produisant des enzymes uréase et/ou anhydrase carbonique. Les minéraux de carbonate de calcium produits par les bactéries ont été identifiés par microscopie et par spectroscopie µ-Raman. En parallèle, un dispositif expérimental, basé sur un réacteur en colonne, a été développé pour étudier la biominéralisation et la capacité microbienne de Sporosarcina pasteurii à former un agglomérat sableux. Ces bactéries calcifiantes bien connues ont dégradé l’urée présente dans le milieu liquide circulant dans la colonne pour produire du carbonate de calcium qui a agi comme un ciment entre les particules de sable. Les bio-briques obtenues au bout de trois semaines avaient une résistance à la compression de 4,2 MPa. Vingt pour cent des vides intergranulaires ont été remplis de calcite et correspondent à 13 % de la masse totale. Nous avons réussi à montrer que le système de bio-colonne peut être utilisé pour évaluer la capacité des bactéries à agglomérer une matrice sableuse avec du CaCO₃.