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Géomicrobiologie

Géomicrobiologie

Le groupe de géomicrobiologie est spécialisé dans la reconnaissance et la caractérisation des composés organiques d’origine biologique ou abiotique, ainsi que dans la compréhension des interactions micro-organismes/minéral.

Ce groupe interdisciplinaire réunit des (micro-)biologistes, biogéochimistes, spectroscopistes et des pétrologues développant des méthodes innovantes pour l’imagerie et la caractérisation chimique à micro- et nano-échelle des interfaces bio-organo-minérales dans les milieux aqueux ou les roches (terrestres et extraterrestres) lui conférant une expertise unique pour la caractérisation de tout échantillon géobiologique. Les thématiques abordées dans l’équipe sont tournées vers le cycle profond du carbone organique, la caractérisation des écosystèmes microbiens intraterrestres ou en environnement extrême (analogue d’environnements primitifs), ou encore la compréhension du fonctionnement de ces communautés microbiennes lors de leurs interactions avec leur proche environnement. En particulier, l’équipe combine des approches de terrain, de pétrologie, de spectroscopie, de microscopie, biologie moléculaire et bioinformatique pour comprendre comment les transferts de carbone et d’hydrogène entre l’intérieur de la planète et sa surface impactent le développement des systèmes biologiques (ex: hydrothermalisme), ainsi que l’influence des microorganismes sur la formation ou la dissolution des minéraux (biofilms microbiens, stromatolites, cheminées hydrothermales, grottes, subsurface profonde).

L’équipe comporte plusieurs laboratoires : un laboratoire de préparation des échantillons de roche, un laboratoire d’écologie microbienne, une plate-forme de spectroscopie vibrationnelle, une plateforme de microscopie confocale et de microdissection laser en conditions stériles. Certains de ces équipements font partie de la plate-forme PARI (https://www.ipgp.fr/fr/plateforme-pari). Les membres de l’équipe sont aussi très impliqués dans l’utilisation et le développement des lignes de lumières aux synchrotrons SOLEIL (DISCO, SMIS, LUCIA, DIFFABS, SAMBA, HERMES …) et ESRF (FAME-UHD) où ils participent à la mise en place de nouvelles méthodes analytiques.

Thématique: Vie intra-terrestre et de sub-surface

La vie intraterrestre est désormais considérée comme une composante majeure de la vie sur Terre et la subsurface serait en conséquence le plus vaste habitat microbien terrestre. Dans ce contexte, il est indispensable d’apporter des contraintes sur la nature et la diversité des écosystèmes microbiens intraterrestres mais également sur les conditions géochimiques de la subsurface qui permettent à cette biosphère profonde de se développer. En effet, cette vie intraterrestre, nichée dans les pores des roches et déconnectée de la lumière du soleil, serait analogue aux formes de vie primitive et jouerait un rôle important dans la structure et dynamique des grands cycles biogéochimiques terrestres actuels et passés. Cependant, ses liens avec les écosystèmes de surface, ainsi que ses sources de carbone et d’énergie restent peu connus. De la même manière, son impact sur le fonctionnement et l’équilibre de la Zone Critique restent également peu caractérisés.  Or cette enveloppe superficielle de la Terre, demeure le lieu d’échanges principal entre surface, subsurface et biosphère. Elle régule la disponibilité des ressources naturelles et reste fragile face au changement climatique. Notre objectif est alors de pouvoir comprendre et cartographier cette biosphère profonde et de caractériser l’impact de son activité sur son environnement et notamment sur les réactions d’altération minérale et de biominéralisation en profondeur. Pour cela, nous nous intéressons notamment aux systèmes karstiques et sources souterraines associées, qui sont des environnements dynamiques de la subsurface et de la Zone Critique, et qui constituent des laboratoires naturels d’étude de la vie de subsurface. Nous cherchons ainsi à structurer des projets de recherche sur la géomicrobiologie de ces environnements, en nous appuyant notamment sur les sites monitorés de l’IR OZCAR (https://www.ozcar-ri.org/fr/ozcar-observatoires-de-la-zone-critique-applications-et-recherche/), et en y développant une approche pluridisciplinaire, couplant écologie microbienne, (bio)altération minérale, et physico-géochimie des eaux souterraines.

Echantillonnage dans les grottes du site de l'Unesco « Cradle of Humankind » (Sterkfontein, Af. Sud) pour une étude de l'impact de l’activité de microorganismes sur les processus d’altération des roches et la formation de grottes.

Thématique: Le cycle profond du carbone organique

Il existe une prise de conscience récente et interdisciplinaire de l’importance des composés organiques d’origine non biologique (formés par chimiosynthèse catalysée par des minéraux et donc sans rapport avec la surface des planètes et la photosynthèse) dans la Terre profonde. Ces composés, qui peuvent être stables à très haute pression et température, influencent ensuite les interactions fluide-roche en zone de subduction et lors de la formation des chaines de montagnes. Le carbone organique pourrait ainsi représenter une fraction importante, bien que peu contrainte, du carbone profond sur Terre. Notre but est de revisiter ce cycle du carbone organique en explorant les mécanismes de synthèse abiotique de ce carbone dans des conditions pression-température extrêmes. Pour atteindre cet objectif, nous mettons en œuvre une caractérisation pétrologique et géochimique à micro- et nano-échelle de la matière carbonée endogène formée dans les échantillons naturels de haute pression récoltés dans les chaines de montagnes himalayennes et alpines. Nous comparons ensuite ces résultats à des travaux expérimentaux de synthèse de composés organiques. Ces méthodes nous permettront d’élucider l’origine de la matière carbonée observée dans les zones de subduction et de proposer un premier bilan du stockage du CO2 sous forme de carbone organique abiotique dans la Terre profonde.

La méta-ophiolite éclogitique du Monviso (Alpes Occidentales) fait partie des terrains d'étude

Thématique : Impact des microorganismes sur les cycles biogéochimiques des métaux

La grande majorité des microorganismes présents dans les milieux naturels est organisée sous forme de biofilms. Ces matrices complexes sont composées de polymères extracellulaires enveloppant les cellules microbiennes, et présentant des propriétés physiques proches de celles des gels, avec un transport d’éléments chimiques fortement limité. Du fait de la forte capacité de piégeage de ces structures poreuses, de la densité de sites fonctionnels particulièrement élevée au niveau des parois cellulaires, ainsi que de l’activité métabolique des microorganismes (respiration, détoxification, réactions d’oxydo-réduction), les biofilms sont considérés comme un compartiment environnemental majeur capable de contrôler le devenir des métaux et métalloïdes dans les milieux naturels ou anthropisés. Cependant, malgré leur importance capitale dans les environnements de surface et subsurface, le fonctionnement de ces structures complexes reste mal défini. Ainsi, notre objectif principal est d’identifier les processus associés aux biofilms microbiens, susceptibles d’impacter les cycles biogéochimiques des métaux, et d’en quantifier les impacts.

Pour ce faire, plusieurs axes de recherche sont développés dans l’équipe : déterminer les capacités d’accumulation des biofilms microbiens vis-à-vis des métaux et métalloïdes ; identifier les processus de biominéralisation (Mn) mis en place au sein de ces structures microbiennes ; quantifier l’impact des biofilms lors des phénomènes d’altération des minéraux dans la Zone Critique. En particulier, du fait de leur structure complexe, les biofilms créent des microenvironnements présentant localement des caractéristiques physico-chimiques (concentration en métaux, en radicaux libres, pH, pO2) très différentes du reste du biofilm et du milieu extérieur. Notre équipe s’attache ainsi à cartographier et déterminer la nature de ces micro-environnements, information centrale pour comprendre la réactivité des biofilms.

Une partie importante de nos travaux repose sur le développement de techniques d’observation originales adaptées à nos objets d’étude. En particulier, des développements analytiques importants en microscopie électronique à transmission en conditions liquides (MET-liquide) ont été effectués en collaboration avec des chercheurs du laboratoire MPQ (coll. D. Alloyeau, Université Paris Cité), permettant d’observer directement les processus de minéralisation in situ, dans des conditions proches de celles des milieux naturels à des résolutions spatiales de quelques nanomètres. Ainsi, ces observations ont permis de démontrer l’importance de la nature des exopolymères pour la dynamique de nucléation et de croissance de minéraux de Mn à la surface de bactéries (Escherichia coli).

 

Séquence temporelle d’images MET-liquide, montrant la croissance minérale de Mn sur une bactérie Escherichia coli (Couasnon et al., Science Advances, 2020)
Micro-environnements dans l’épaisseur de biofilms microbiens (Desmau et al., Front. Environ. Sci., 2020)
Biofilms prélevés en Seine (MEB, credit S. Borensztajn)

Thématique : Stromatolites modernes en tant qu'analogues de formes de vie primitives

Les stromatolites sont des formations organosédimentaires laminées, le plus souvent composées de carbonates, se développant en milieu aquatique peu profond. Ils étaient très abondants au Précambrien, mais ils sont actuellement beaucoup plus rares, leur présence étant restreinte à quelques environnements lacustres ou marins. Les stromatolites fossiles comptent parmi les plus anciennes traces de vie sur Terre. Les plus anciens sont en effet datés d’environ 3.5 milliards d’années dans les régions de Pilbara en Australie. L’analyse des stromatolites modernes a conduit à l’hypothèse que les stromatolites fossiles auraient été formés par la minéralisation et la lithification de tapis microbiens dominés par des cyanobactéries, ces dernières étant responsables de l’oxygénation de l’atmosphère terrestre. Cependant, l’absence de microfossiles de cyanobactéries associés aux stromatolites fossiles les plus anciens et l’oxygénation tardive de la surface de la Terre (2,5 milliards d’années), ont mené à des hypothèses alternatives quant à la formation des stromatolites et notamment à la possibilité d’une formation purement abiotique, c’est-à-dire sans l’intervention de microorganismes ou avec d’autres types de microorganismes comme des bactéries phototrophes anoxygéniques.

Dans le but de pouvoir mieux interpréter le registre fossile des stromatolites, nous étudions l’impact des microorganismes sur la morphologie et la minéralogie des stromatolites en cours de formation actuellement dans divers environnements lacustres. Pour cela nous couplons des analyses de microscopies confocale à balayage laser et électronique à balayage, de spectroscopie Raman avec des analyses de diversité microbienne par séquençage des gènes codant pour les ARN 16S et 18S, de métagénomique et microdissection laser. Cette méthode nous a permis notamment de mettre en évidence des associations spécifiques d’aragonite ou de silicate de magnésium avec des cyanobactéries appartenant à l’ordre des Pleurocapsales. Nous étudions actuellement les stromatolites du Lac Dziani à Mayotte dans les le cadre de l’ANR SUBSILAKE (P.I. Magali Ader).

Echantillonnage des stromatolites de la Laguna Negra en Argentine