11

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

2

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)

6

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)

8

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)

9

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

12

Composition des fluides du système de Prony 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

17

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

20

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