Fiche 4

Microbiologie des environnements extrêmes en Méditerranée

Laurent Toffin, Stéphane L'Haridon

Lac de saumure photographié par Victor 6000 sur le volcan de boue Napoli, au large de la Crête
© Ifremer / Medeco 2007

Les microorganismes extrêmophiles vivent dans des conditions environnementales (température, salinité, pH) mortelles pour les autres organismes. Certains microbes dits halophiles se développent dans des milieux très chargés voire saturés en sel. Parmi les microorganismes que l'on rencontre dans ces environnements, le groupe le plus significatif est sans doute celui des méthanogènes qui tirent leur énergie de la réduction du dioxyde de carbone (CO₂) en présence d'hydrogène (H₂) pour former du méthane (CH₄).

Halophiles extrêmes

En Méditerranée, au niveau des sources de fluides froids, des communautés microbiennes halophiles se développent dans des lacs de saumure sous-marins dont les concentrations en sels (NaCl) atteignent 380 grammes par litre d'eau. A titre de comparaison, l'eau de mer a une teneur en NaCl de 35 grammes par litre…
Ainsi, cinq fosses ultra-salines anoxiques profondes (Deep Hypersaline Anoxic Basins : DHABs) ont été récemment découvertes en mer Méditerranée à plus de 3000 mètres de profondeur. Elles représentent un environnement marin profond unique qui résulte de la dissolution de dépôts de sels issus de la période du Miocène, il y a 5,5 millions d'années. En raison de leurs caractères extrêmes, les scientifiques espèrent trouver dans ces fosses une diversité microbienne encore inexplorée.

Les Archaea méthanogènes, usines à méthane

Le méthane est un gaz dont la présence dans l'atmosphère terrestre contribue de façon importante à l'effet de serre de la planète. La production de méthane dans les sédiments marins est significative (75 à 320 Téragrammes (10¹²) par an), ce qui en fait le plus grand réservoir mondial de méthane. Ces fortes quantités de gaz, temporairement stockées dans les sédiments des marges continentales, se trouvent sous forme de gaz libre, dissout ou emprisonné dans la glace (clathrate de gaz).

La composition isotopique du carbone d¹³C¹ permet de déterminer l'origine du méthane des zones de fluides froids : elle peut être biogénique (microbienne), thermogénique ou mixte.

Dans les sédiments marins, les données moléculaires et isotopiques traitées par les scientifiques montrent que l'essentiel du méthane produit a une origine biogénique, c'est-à-dire qu'il provient des Archaea méthanogènes (microorganismes appartenant au domaine des archéobactéries²).
Très peu d'études se sont intéressées au compartiment méthanogène des sédiments marins. Seules quelques espèces ont été isolées en culture et représentent seulement 7% de la diversité méthanogène identifiée à l'aide d'outils moléculaires.
Les microorganismes méthanogènes sont tous des espèces anaérobies. Quelques traces d'oxygène suffisent à les tuer.

Les microorganismes associés aux Archea méthanogènes : des biofiltres

Le méthane produit par les méthanogènes peut être consommé par un ensemble de microorganismes qui vivent en association étroite. Ce consortium microbien, composé d'archaea appelées ANME (méthanotrophe anaérobie) et de bactéries sulfato-réductrices, est capable d'oxyder le méthane et réduire le sulfate. Bien que ce mécanisme soit connu depuis 1976, les microorganismes impliqués dans ce processus ont été mis en évidence récemment. Cette population microbienne, en "consommant" jusqu'à 90% du méthane par oxydation anaérobique, agirait donc comme un biofiltre, évitant ainsi les émissions de méthane vers l'hydrosphère, puis l'atmosphère.

Les actions menées dans le cadre de la campagne Medeco

Un des sites étudiés lors de la mission est le volcan de boue Chefren (Menes Caldeira) situé dans le delta du Nil en Méditerranée orientale. Un lac profond de 250 mètres, rempli d'une saumure de température égale à 55°C, est localisé dans cette zone.
Les principaux défis que devront relever les microbiologistes seront de caractériser la physiologie et l'écologie des communautés microbiennes extrêmophiles des volcans de boue sous-marins ainsi que leur rôle. Plusieurs questions restent encore en suspens : Quelle est l'origine des Archaea dans les saumures ? Représentent-elles une flore "indigène", une vie souterraine isolée depuis des millions d'années ?

Les échantillons de sédiments et de saumures seront prélevés essentiellement à l'aide de carottiers de plusieurs mètres de long, et de bouteilles en titane. Ces équipements permettront de prélever des archaea méthanogènes en respectant au maximum les conditions in situ des profondeurs (température, salinité, pH…). La fraction active des communautés inventoriées sera identifiée grâce à l'extraction et l'isolement des acides désoxyribonucléiques (ARN, reflet de l'activité métabolique), réalisés directement sur les échantillons.

¹ : Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Deux isotopes ont une masse atomique différente.
Des fractionnements isotopiques se produisent dans la nature, il s'en suit des enrichissements ou des appauvrissements d'un isotope par rapport aux autres.
Ainsi, les modifications de composition isotopique du carbone peuvent être mises en évidence par la mesure du rapport 13C/12C. Le carbone 13 est un isotope stable dont la concentration est mesurable avec beaucoup de précision par spectrométrie de masse. Ces mesures isotopiques s'expriment en termes de différence , delta13C entre le rapport 13C/12C de l'échantillon et le rapport 13C/12C d'un carbone standard.

² : Les archéobactéries constituent le second domaine du vivant. Ce sont aussi des procaryotes possédant des membranes cellulaires plus résistantes et des génomes apparentés. Ainsi le mécanisme de réplication de l'ADN des archées est-il plus proche de celui des eucaryotes que de celui des bactéries. Aucune archée n'a pour l'instant manifesté de pathogénicité pour l'Homme.

Mission Medeco