Détermination des externalités associées au développement ...
Sources hydrothermales hyperalcalines associées au ...
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Sources hydrothermales hyperalcalines associées au
processus de serpentinisation
Chercheurs MIO impliqués (équipe MEB) :
• Marianne Quéméneur , CR IRD• Gaël Erauso, PR AMU • Anne Postec , MC AMU• Bernard Ollivier, DR IRD• Marie-Laure Fardeau, IR IRD• Fatma Ben Aissa, doctorante AMU• Méline Bes, doctorante AMU• Nan Mei, doctorante AMU• Jean Le Mer, CR IRD
Laboratoires partenaires :
• IRD Nouméa• GET Toulouse • IPG/IMPMC Paris• LMGE Clermont-Ferrand • Michigan State University
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Lang et al., Geochemica Cosmochimica Acta, 2012 Serpentine
+ Chaleurin situ up to 150°C
La serpentinisation de la lithosphère océanique
La serpentinisation et les écosystèmes microbiens associés
o Intérêt croissant de la communauté scientifique pour la serpentinisation et les écosystèmes associés
o Stockage du CO2
o Origine et limite de la vie sur Terre et d’autres planètes
Explorer la diversité structurelle et fonctionnelle de la biosphère profonde et son interaction avec le cycle du carbone
La serpentinisation et son rôle dans le cycle du carbone
Impact de la lithosphère océanique hydratée dans la fixation et le recyclage du carbone?
Modifié à partir de Gaillardet and Galy, 2008
Baie de Prony (Nouvelle-Calédonie)
Lost City (Dorsale Medio-Atlantique)
Les systèmes hydrothermaux hyperalcalins terrestres et sous-marins :
un œil sur la lithosphère océanique
Massif de Voltri(Ligurie, Italie)
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Lost City : le premier système hydrothermal sous-marin alcalin liés à la serpentinisation
Lost City
o Découvert en 2000 à 800 m de profondeur sur le massif de l’Atlantis (30°N)
o 15 km à l’ouest de la ride Médio-Atlantique
o Différent des autres systèmes hydrothermaux (« fumeurs noirs »)
o Events de CH4 et d’H2o pH alcalin (9-11)oTempérature = 40-90°Co Dominé par des méthanoarchaea
Expédition IODP 357 : Atlantis Massif, Serpentinization and Life
24 oct. -9 déc. 2015 + février 2016
o Explorer la distribution et l’activité des communautés microbienneso Évaluer comment les processus biotiques et abiotiques changent avec l’age de la lithosphère et les variations du type de rocheso Étudier les contrôles sur le flux des fluideso Évaluer les liens entre dénudation et circulation hydrothermale
Lost City
Hole U1309D
‘old’ = longer exposure ‘shallow’ = initial depth
‘young’ = shorter exposure‘deep’ = initial depth
Objectifs de forage est-ouest
Projet ANR DeepOASES(PI : Bénédicte Menez, IPGP)2015 - 2018
5 mileso 10 sites forés (~ 500-700 m de carottes)
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Baie de Prony (Nouvelle-Calédonie)
Lost City (Dorsale Medio-Atlantique)
Les systèmes hydrothermaux hyperalcalins terrestres et sous-marins
liés à la serpentinisation
Massif de Voltri(Ligurie, Italie)
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Baie de Prony (Nouvelle-Calédonie)
- Température < 40 °C
- Profondeur < 50 m
- Fluides non salés
Lost City (Dorsale Medio-Atlantique)
- Température < 40-90 °C
- Profondeur ~ 800 m
- Fluides salés
Les systèmes hydrothermaux hyperalcalins terrestres et sous-marins
liés à la serpentinisation
Massif de Voltri(Ligurie, Italie)
- Température < 30 °C
- Terrestres
- Fluides non salés
Quéméneur et al., 2015Quéméneur et al., 2014; Monnin et al., 2014
Mei et al., 2014; Ben Aissa et al., 2014+2015
• Précipités et/ou cheminées actives constitués de calcite (CaCO3) et brucite (Mg(OH)2)
• Fluides alcalins (pH ~11) et anoxiques, riches en H 2, CH4 (et autres C nH2n+2)
Les systèmes liés à la serpentinisationUn challenge pour le développement de la vie!
Principaux objectifs et questions majeures
o Décrire la biodiversité microbienne des écosystèmes hydrothermaux alcalins serpentinisés
Quels sont les métabolismes possibles?
o Évaluer les variations spatio-temporelles de la structure et de l’activité des communautés microbiennes en fonction des paramètres environnementaux
Quels sont les facteurs abiotiques et biotiques clés influant le fonctionnement de l’écosystème?
o Déterminer le rôle de groupes microbiens dans les différents cycles biogéochimiques
Comment la biosphère influence le cycle du carbone (et du S et N)?
o Élucider les stratégies développées par les microorganismes pour coloniser et se maintenir en milieu extrême (pH alcalin, peu de nutriments)
Respiration, homéostasie, mobilité?
Campagne HYDROPRONY 2011Le système hydrothermal alcalin de la baie de Prony Sites d’étude : 2 sites terrestres et 5 sites sous- marins
ST12
BdJ
ST08
BdJ
ST07
Riv. Kaoris
Monnin et al., Biogeosciences, 2014
H2-dominated
Intermediate
CH4-dominated
Modifié à partir de Boulart et al., 2013
Lost City
Modifié à partir de Etiope and Schoell, 2014
Origine et composition des gaz libérés par les systèmes hydrothermaux liés à
la serpentinisation
H2/CH4 ratio
Extractions d’ADN
Souchesbactériennes
Cheminées et fluides hydrothermaux
Séquences
Clonages Séquençages
Comparaisons dans les banques de séquences
PCR
DiversitéPhylogénie
Gènes codant l’ARNr 16S, mcrA, dsrB
Profils
Dynamique des communautés
(structure/abondance)
ADN génomiques
Enrichissements microbiens
PCR en temps réel
PCR
DGGE CE-SSCP
Nombre élevéde séquences
Metagénomique
Pyroséquençage 454
PHFST08_B10 (2) (KF886088)
PHFST12_B5 (3) (KF886100)
Abyssal marine sediment clone
Subseafloor sediment clone 1H3M40
PHFST12_B10 (4) (KF886095)
Dehalogenimonas sp. SBP1 (JQ994267)
Dehalococcoides ethenogenes 195
Dehalococcoides sp. GT strain G
Holocene sediments clone KM35B-155
Siliciclastic sediment clone CK 2C4 105
PHFST08_B7 (8) (KF886076)
PHFST12_B1 (17) (KF886112)
Mud volcano clone AMSMV-5-B75
Hypersaline microbial mat clone SBZO
The Cedars clone Ced B01 (KC574890)
PHFST07_B6 (7) (KF886162)
PHFST08_B3 (33) (KF886074)
PHFST12_B3 (16) (KF886101)
99
86
100
100
100
61100
99
100
9971
67
10098
87
85
0.05
Microscopie en fluorescence
FISH/CARD-FISH
Détection/abondancedes microorganismes
Flu
ores
cenc
e
Nombre de cycle PCR
MéthodologieApproches de microbiologie culturales et moléculair es
Serveur bioinformatique MEB
MG IIThaumarchaeota
SAGMEG
Methanosarcinales
0102030405060708090
100
BJ ST12
Séq
uenc
es (
%)
ST07 ST08
o Communautés d’archées peu diversifiéeset dominées par des Methanosarcinalesoxydant et/ou produisant du CH 4
Consommation et/ou production biologique de méthane par une faible diversité d’archées
ST09
Quéméneur et al., EMR, 2014
Postec et al., Frontiers in extreme microbiology, soumis
Brazelton et al., Biology, 2011
TotalBanques de clones d’ADNr 16S
Deinococcus-Thermus
Chloroflexi
Actinobacteria
Firmicutes
Bacteroidetes
Gammaproteobacteria
Deltaproteobacteria
Betaproteobacteria
Alphaproteobacteria0
20
40
60
80
100
0 10 20 30 40 50Profondeur des échantillons de cheminées
(mbsl)
Chloroflexi
Proteobacteria
Fré
quen
ce d
es c
lone
s (%
) Oxydation de l’H2?
Quéméneur et al., EMR, 2014
Serpentinisation
H2
H2-oxidizingBetaproteobacteria
H2-oxidizingDeltaproteobacteria
H2-producingFirmicutes (Clostridiales)
H2O2CO2
Aerobic
Anaerobic
o Communautés de bactéries diversifiées oxydant et/ou produisant de l’H2
o Fixation du CO2 par les Proteobactéries
o Utilisation du carbone organique par les Firmicutes
Consommation et production biologique d’hydrogène par diverses bactéries
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Acetoanaerobium pronyensisAmbient alkaline clone - 112
Oil reservoir clone PL-3B11
Sediment surface rocks clone Bac SB 104
Clostridium sticklandii
SR
Acetoanaerobium noterae ATCC 35199
Proteocatella sphenisci PPP2 (AF450134)
Filifactor villosus DSM1645 (AF537211)
Fusobacterium alocis ATCC35896 (AJ006962)
97
100
100
100
93
100
0.01
Clostridium sp. PROH2
Bes et al., IJSEM, accepté
0
5
10
15
20
25
30
0 40 80 120 1600
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
H2 conce
ntration (mM)
Temps (heures)Cell co
nce
ntra
tion (g
/L)
HydrogenCell
Gluco
se and m
etabolite
conce
ntration (mM)
0
5
10
15
20
25GlucoseAcetateButyrateIsovalerateLactate
0 40 80 120 160
Temps (heures)
0
5
10
15
20
25
30
35
7 7.7 8.5 9.5 10 10.5 11
Initial pH
Cell concentration (g/L)
H2
conc
entr
atio
n (m
M) H2
Cell
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Mei et al., IJHE, 2014
Production d’hydrogène par fermentation en condition alcalineClostridium sp. PROH2
Rendement :2.71 mol H2/mol glucose
Alkaliphilus hydrothermalisAlkaliphilus transvaalensisAlkaliphilus crotonatoxidans
Alkaliphilus peptidofermentansStrain LacTStrain LacVStrain LacU
Alkaliphilus halophilusStrain 3b
Anaerovirgula multivoransNatronoincola histidinovoransAcidaminobacterhydrogenoformans
100
97
100
74
67
86
79
67
71
0.005
Ben Aissa et al., IJSEM, 2015
o 5 nouvelles espèces alcaliphiles, anaérobies, mesophiles et indigènes aux écosystèmes serpentinisés du genre Alkaliphilus
o Différences au niveau de l’utilisation des substrats
o Fermentation des sucres, des acides organiques ou des acides aminées
o Potentiellement impliquées dans la réduction des composées soufrés et métaux
o Précipitation des carbonates?
o Adaptation au pH élevé
Caractérisation et comparaison de génomes de souches alcalophilesAlkaliphilus spp.
ConclusionLe site de Prony : un observatoire unique des écosystèmes liés à la serpentinisation
o Communautés microbiennes chimiolithoautotrophes capables d’utiliser l’hydrogène et le méthane libérés par le processus de serpentinisation
o Communautés microbiennes hétérotrophes capables d’utiliser des composés carbonés organiques
- Dosage des métaux dans les fluides et les cultures
- Dosage des gaz dissous au niveau des sources sous-marines plus profondes
- Dosage des hydrocarbures, de l’acétate, du formate, des acides aminés, des composés azotés (ammoniac)
- Signature biologique via analyse isotopique (C13)?
- Origine et circulation des fluides – datation des différents sites marins ou terrestres (C14)?
Questions de
géoch
imie?
o Site côtier à la transition entre les environnements marins et terrestres
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Un grand merci à l’ensemble des membres et partenaires HYDROPRONY
Partenaires SudIRD Nouméa- Bernard Pelletier- Claude Payri- Eric Folcher
Partenaires nationauxGET Toulouse :
- Christophe Monnin
- V. Chavagnac
IPG/IMPMC Paris :
- Benedicte Menez
- M. Gerard
- E. Gerard
- C. Pissapia
LMGE Clermont-Ferrand : - Télésphore Sime-Ngando
- Didier Debroas
- Mylène Hugony
Partenaires internationauxMichigan State University : - Matthew Schrenk
- William Brazelton
Université Stony Brooks : - Roy Price
Marianne Quéméneur
Gaël Erauso
Anne Postec
Bernard Ollivier
Marie-Laure Fardeau
Méline Bes
Fatma Ben Aissa et Jean Le Mer
Nan Mei
Équipe MEB-MIO