Extracellular polymeric substances (EPSs) are an important organic carbon reservoir in many pelagic and benthic environments. The production of EPS is intimately associated with the growth of phyto- and picoplankton. EPS plays a critical role in carbonate precipitation through the binding of cations and by acting as a nucleation site for minerals. Large-scale episodes of fine-grained calcium carbonate precipitation in the water column (whiting events) have been linked to cyanobacterial blooms, including of Synechococcus spp. The mechanisms that trigger these precipitation events are still debated. We pose that the cyanobacterial EPS, produced during exponential and stationary growth phases, plays a critical role in the formation of whitings. The aim of this study was to investigate the production of EPS during a 2-month cyanobacterial growth, mimicking a bloom. The production and characteristics of EPS were examined in different growth stages of Synechococcus spp. using various techniques such as Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy as well as colorimetric and sodium dodecyl sulfate–polyacrylamide gel electrophoresis (SDS–PAGE) assays. We further evaluated the potential role of EPS in carbonate precipitation through in vitro-forced precipitation experiments. EPS produced during the early and late stationary phase contained a larger amount of negatively charged groups than present in EPS produced during the exponential phase. Consequently, a higher Ca²⁺-binding affinity of the stationary-phase EPS led to the formation of a larger amount of smaller carbonate minerals (< 50 µm) compared to crystals formed in exponential-phase EPS, which were less abundant and larger (> 50 µm). These findings were used to establish a conceptual model for picoplankton-bloom-mediated CaCO₃ precipitation that can explain the role of EPS in whitings.

The role of culture conditions on the production of exopolymeric substances (EPS) by Synechococcus strain PCC7942 was investigated. Carbonate mineral precipitation in these EPS was assessed in forced precipitation experiments. Cultures were grown in HEPES-buffered medium and non-buffered medium. The pH of buffered medium remained constant at 7.5, but in non-buffered medium it increased to 9.5 within a day and leveled off at 10.5. The cell yield at harvest was twice as high in non-buffered medium than in buffered medium. High molecular weight (>10 kDa) and low molecular weight (3–10 kDa) fractions of EPS were obtained from both cultures. The cell-specific EPS production in buffered medium was twice as high as in non-buffered medium. EPS from non-buffered cultures contained more negatively charged macromolecules and more proteins than EPS from buffered cultures. The higher protein content at elevated pH may be due to the induction of carbon-concentrating mechanisms, necessary to perform photosynthetic carbon fixation in these conditions. Forced precipitation showed smaller calcite carbonate crystals in EPS from non-buffered medium and larger minerals in polymers from buffered medium. Vaterite formed only at low EPS concentrations. Experimental results are used to conceptually model the impact of pH on the potential of cyanobacterial blooms to produce minerals. We hypothesize that in freshwater systems, small crystal production may benefit the picoplankton by minimizing the mineral ballast, and thus prolonging the residence time in the photic zone, which might result in slow sinking rates.

Le rôle des cyanobactérie dans la précipitation des carbonates: La biominéralisation est le processus de formation de minéraux par des organismes vivants. On distingue deux catégories de biominéralisation carbonatée: les processus induits par des procaryotes tels que les cyanobactéries, et les processus contrôlés par des métazoaires comme les spongiaires, les cnidaires, les mollusques et les échinodermes. Les cyanobactéries, organismes photosynthétiques autotrophes, jouent un rôle essentiel dans la précipitation des carbonates par le biais de l'organominéralisation. Elles produisent d'abondantes quantités de polymères organiques extracellulaires (EPS) principalement polyanioniques, capables d'adsorber et de concentrer des cations tels que le Mg2+ et le Ca2+ nécessaires à la formation des carbonates. De plus, l'activité métabolique des micro-organismes, dont la photosynthèse, peut localement augmenter le pH et favoriser la précipitation des carbonates. Les EPS, produits et consommés continuellement dans le milieu naturel, voient leurs propriétés évoluer en fonction des conditions environnementales, notamment le pH. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'influence du pH sur la production des EPS par les cyanobactéries et de comprendre leur rôle dans la précipitation des carbonates. Les chercheurs ont étudié les profils de croissance des cyanobactéries ainsi que la quantité et les propriétés des EPS sécrétées. Ils ont ensuite observé l'effet des EPS sur la formation des carbonates en laboratoire. Dans la première partie de la thèse, la cyanobactérie Synechococcus PCC 7942 a été cultivée dans des milieux tamponnés et non tamponnés. Les EPS ont été extraites en deux fractions de poids moléculaire faible (3-10 kDa) et élevé (>10 kDa) en fin d'expérience. Les analyses ont montré que la composition en sucres et en protéines des EPS varie en fonction du pH de l'environnement. Les EPS ont ensuite été testées dans des expériences de précipitation forcée de carbonates, révélant des différences significatives en termes de morphologie, taille et nombre de cristaux formés, indiquant ainsi l'influence du pH sur la précipitation des carbonates via les propriétés des EPS. La deuxième partie de la thèse a étudié les changements dans les propriétés des EPS au cours d'une expérience simulant un bloom artificiel de cyanobactéries Synechococcus. Les résultats ont montré que la quantité d'EPS et la présence de groupes fonctionnels chargés négativement varient en fonction du stade de croissance de Synechococcus, influençant ainsi la précipitation des carbonates. Les EPS produits lors de la phase stationnaire de croissance présentent une charge négative élevée, favorisant la formation de carbonates de taille réduite par rapport à ceux produits pendant la phase exponentielle. Ce modèle conceptuel explique le rôle des EPS dans les événements de whitings liés à la prolifération de picoplancton. Dans la troisième partie de la thèse, le phytoplancton a été étudié dans un lac d'eau douce pendant trois périodes (printemps, début et fin d'été). Les EPS sécrétées ont été quantifiées et caractérisées, montrant une augmentation de leur concentration et de leur charge négative dans l'eau du lac de printemps à été. Cette étude a confirmé la validité du modèle conceptuel pour les systèmes naturels, mettant en évidence l'interaction complexe entre l'activité du phytoplancton, la sécrétion des EPS et leur implication potentielle dans la précipitation des carbonates. En conclusion, cette thèse établit un lien direct entre les propriétés des EPS produites par les cyanobactéries (phytoplancton) et la précipitation du CaCO3, ainsi qu'un modèle conceptuel décrivant les mécanismes d'organominéralisation dans les lacs d'eau douce. La compréhension de l'impact des EPS sur la formation des carbonates est cruciale pour étudier les origines et les causes des événements de whitings liés à la prolifération de cyanobactéries (blooms). Ces résultats pourraient également contribuer à estimer la biogénicité des dépôts de carbonates.

Extracellular polymeric substances (EPS) are an important organic carbon reservoir in many pelagic and benthic environments. The production of EPS is intimately associated with the growth of phyto- and picoplankton. EPS plays a critical role in carbonate precipitation through the binding of cations and by acting as a nucleation site for minerals. Large-scale episodes of fine-grained calcium carbonate precipitation in the water column (whiting events) have been linked to cyanobacterial blooms, including of Synechococcus spp.,. The mechanisms that trigger these precipitation events are still debated. We pose that the cyanobacterial EPS, produced during exponential and stationary growth phases plays a critical role in the formation of whitings. The aim of this study was to investigate the production of EPS during a two-month cyanobacterial growth, mimicking a bloom. We further evaluated the potential role of EPS in carbonate precipitation. The production and properties of EPS produced at different Synechococcus spp. growth stages were investigated and carbonate mineral formation within these EPS matrices was determined in forced precipitation experiments. EPS produced during the early and late stationary phase contained a larger amount of negatively charged groups than present in EPS produced during the exponential phase. Consequently, a higher Ca²⁺ binding affinity of the stationary phase-EPS led to the formation of a larger amount of smaller carbonate minerals ( 50 µm). These findings were used to establish a conceptual model for picoplankton bloom-mediated CaCO₃ precipitation that can explain the role of EPS in whitings (see graphical abstract).