L’activité géologique peut rapidement modifier les communautés microbiennes profondes

Bien que l’importance des bactéries et des archées soit indéniable, la seule preuve de leur existence dans le sous-sol profond provient de traces de matière biologique qui s’infiltrent à travers les parois des mines, les ruisseaux des grottes et les trous de forage qui puisent dans les aquifères.

De nombreux scientifiques ont supposé que la composition des communautés microbiennes dans le sous-sol profond est principalement façonnée par les pressions environnementales locales sur la survie microbienne telles que la température, l’acidité et la concentration en oxygène. Ce processus, la sélection environnementale, peut prendre des années, voire des millénaires, pour provoquer des changements significatifs au niveau communautaire dans les communautés à croissance lente comme le sous-sol.

Maintenant, avec des données recueillies à près de 5 000 pieds sous terre, des chercheurs de l’Université de Stanford ont montré que les communautés microbiennes souterraines profondes peuvent changer en quelques jours, et que les changements peuvent être entraînés par l’activité géologique, et pas seulement par les pressions environnementales. Les résultats ont été publiés le mois dernier dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

“Dans le sous-sol profond, nous ne pouvons plus comprendre que la sélection environnementale est le moteur dominant de la dynamique communautaire – il pourrait s’agir simplement d’un changement de débit ou d’un mouvement de l’eau souterraine à travers les crevasses et les fissures du sous-sol qui entraîne ce que nous observons, ” a déclaré l’auteur principal de l’étude, Yuran Zhang, PhD ’20, qui a mené la recherche en tant que doctorant en ingénierie des ressources énergétiques.

Combler les lacunes

Comme lire une page au hasard de la biographie de 1000 mots de quelqu’un, les études précédentes sur les microbes souterrains profonds n’ont offert qu’un aperçu des chroniques de leur existence. En collectant des échantillons d’eau de plusieurs puits géothermiques chaque semaine pendant 10 mois, les chercheurs de Stanford ont montré comment ces populations peuvent changer dans l’espace et dans le temps, démontrant la première preuve de l’activité géologique en tant que moteur du changement de la communauté microbienne – et donc de l’évolution.

“Il existe des recherches antérieures sur la composition des communautés microbiennes dans le sous-sol profond, mais elles utilisent presque toujours des échantillons d’un seul point temporel”, a déclaré la géomicrobiologiste Anne Dekas, auteure principale de l’étude et professeure adjointe de science du système terrestre. “Avoir une série chronologique sur 10 mois – en particulier à une résolution hebdomadaire – est une perspective vraiment différente qui nous a permis de poser différentes questions sur comment et pourquoi ces communautés changent avec le temps.”

Dekas a déclaré que même si les écologistes microbiens auraient pu deviner que l’activité géologique était en jeu, elle a été surprise par l’ampleur des changements communautaires qui se sont produits après un changement dans le réseau d’écoulement.

Forages et éprouvettes

La technique utilisée dans l’étude impliquait le traitement d’échantillons provenant d’un test d’écoulement effectué au Sanford Underground Research Facility (SURF), anciennement Homestake Gold Mine, dans le Dakota du Sud. Zhang a déclaré que l’expérience de passer d’un échantillon de forage à un laboratoire rempli de tubes à essai avec une machine PCR sur le campus était “comme connecter deux mondes totalement différents”, se référant à la façon dont ce travail unit les domaines distincts de l’écologie microbienne et de l’ingénierie géothermique. .

En analysant les propriétés des échantillons d’eau, les chercheurs ont identifié des empreintes digitales d’ADN microbien. Chacun des 132 échantillons d’eau a fourni des dizaines de milliers d’identifiants de séquençage uniques. Ces données ont été utilisées pour montrer que lorsqu’une activité géologique se produisait, elle pouvait rapidement mélanger des communautés biologiques disparates – et provenant d’emplacements qui n’étaient pas connus auparavant pour être connectés.

“L’une des informations supplémentaires de cette étude de microbiologie est que nous avons vu des populations de microbes qui se sont déplacées non seulement directement d’un endroit à l’autre, mais en conséquence du réseau entre les deux”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Roland Horne, le professeur Thomas Davies Barrow des sciences de la Terre. “C’est tellement important du point de vue du réservoir car cela révèle quelque chose qui n’est pas révélé par les méthodes d’analyse géothermiques normales.”

La géologie rencontre la biologie

Le niveau de données collectées par les techniques géothermiques actuelles revient à n’avoir accès qu’aux autoroutes coupées des routes secondaires qui vous mèneront jusqu’à chez vous. L’étude des populations de micro-organismes ouvre la possibilité de cartographier plus en détail les complexités complexes du sous-sol profond, a déclaré Horne.

Pouvoir utiliser la biologie comme outil peut également apporter des informations sur le sous-sol profond en tant que frontière pour le stockage géologique, comme les déchets nucléaires et la séquestration du carbone. Mais combiner biologie et géologie nécessite une connaissance fondamentale des deux matières.

“Sur le projet souterrain géothermique, j’ai réalisé que les ingénieurs de réservoir, les géologues ou les géophysiciens ne sont généralement pas très familiers avec la microbiologie”, a déclaré Zhang, qui était co-conseillé par Horne et Dekas. “Il y a des connaissances communes sur la géochimie, mais pas tellement en géomicrobiologie.”

Ce travail pourrait même avoir un sens au-delà des disciplines terrestres : si certaines des formes de vie les plus anciennes du sous-sol profond de la Terre peuvent changer et se diversifier en raison de l’activité géologique, nous pouvons peut-être avoir des attentes similaires pour l’origine et la diversification de la vie sur d’autres terres tectoniques. corps planétaires.

“Ce que nous observons pourrait potentiellement être lié à l’histoire précoce de l’évolution de la vie”, a déclaré Zhang. “Si l’activité géologique est un moteur de la formation ou de la diversification précoce de la vie, alors nous devrions peut-être rechercher une vie extraterrestre sur des planètes géologiquement actives.”

L’étude a été financée en partie par le Département américain de l’énergie et le TomKat Center for Sustainable Energy de Stanford.