CE01 - Terre solide et enveloppes fluides

Le cycle du FER dans les cheminées hydrothermales des grands fonds : rôle des MIcroorganismes réducteurs et oxydants du fer et impact sur l'altération des minéraux – IRON2MI

Le cycle du fer dans les écosystèmes hydrothermaux marins profonds : contribution des Microorganismes ferri-réducteurs et ferro-oxydants et impact sur l'altération des minéraux (IRON2MI)

Trois hypothèses sont abordées : <br />- la caractérisation de nouveaux taxons impliqués dans le cycle du fer et l'étude de leurs voies métaboliques permettront d'identifier de nouveaux marqueurs génétiques du fer.<br />- l'utilisation de ces marqueurs permettra d'étudier la structure et les fonctions des communautés microbiennes impliquées dans le cycle du fer.<br />- les microorganismes utilisant le fer dans leurs voies énergétiques contribuent significativement à l'altération des minéraux riches en fer.

Contexte et objectif principal du projet IRON2MI

Face à la demande croissante de la société pour l'exploitation minière en eaux profondes et la quantification et l'exploitation futures des ressources minérales en eaux profondes, il est important de mieux comprendre la contribution du compartiment microbien sur les processus d'altération minérale qui peuvent participer à la modification de la nature de ces ressources (Boschen et al., 2013). Les sites hydrothermaux marins profonds sont caractérisés par des dépôts de sulfures massifs (SMS), enrichis d'une forte teneur en métaux de base (zinc, fer (Fe), plomb et cuivre), en sulfures et en éléments rares, tels que l'or, l'argent, le cobalt et l'indium. Depuis plusieurs décennies, ces gisements de SMS attirent les compagnies minières et les pays industrialisés qui sont encouragés par la demande croissante de matières premières minérales due à la croissance constante de la population, à l'augmentation du niveau de vie, à l'urbanisation, aux progrès technologiques et, plus récemment, à la transition vers une économie à faible émission de carbone (Boschen et al., 2013 ; Murton et al., 2019). Malgré les moyens scientifiques importants mis en œuvre pour étudier ces écosystèmes profonds (diversité et fonctions), des efforts considérables sont nécessaires pour mieux les caractériser et anticiper l'impact des futures exploitations minières. Parmi les métaux présents dans les dépôts de SMS des sites hydrothermaux marins profonds, le fer se trouve à des concentrations importantes dans les minéraux sulfurés, que ce soit sous forme solide comme la pyrite, la chalcopyrite, la marcasite ou la pyrrhotite ou dans des minéraux complexés comme les oxyhydroxydes de fer (Haymon, 1983 ; Toner et al., 2009). Ces minéraux riches en fer sont impliqués dans le métabolisme énergétique de communautés microbiennes encore peu explorées, en tant que donneur (Fe2+) ou accepteur (Fe3+) d'électrons, ce qui conduit à leur altération/minéralisation (Edwards et al., 2003 ; Emerson et al., 2007 ; Slobodkina et al., 2009a ; Singer et al., 2011 ; Makita et al., 2017 ; Chen et al., 2021). Il est important de considérer que les processus d'altération sont définis par toutes les modifications des propriétés physico-chimiques des minéraux par des réactions biotiques ou abiotiques, alors que les processus de minéralisation impliquent la précipitation d'éléments (à partir d'une phase liquide ou solide) par des réactions biotiques ou abiotiques afin de participer à la formation de surfaces minérales.<br />L'objectif principal du projet IRON2MI est de caractériser les micro-organismes ferri-réducteur et ferro-oxydants en étudiant leur physiologie et leurs voies métaboliques, et en évaluant la structure de ces communautés microbiennes et leur rôle dans l'altération/minéralisation des sols riches en fer.

- WP1 : Physiologie et voies métaboliques de nouveaux microorganismes Fe-réducteurs et Fe-oxydants isolés de sites hydrothermaux marins.
Afin d'acquérir une meilleure connaissance des acteurs microbiens impliqués dans le cycle du fer dans ces écosystèmes, le projet IRON2MI bénéficiera d'échantillons frais qui ont été collectés lors des campagnes océanographiques HERMINE2 (été 2022) et BICOSE3 (hiver 2023) au niveau de la dorsale médio-atlantique (MAR ; profondeur de 3600 m ; champs TAG et Snake Pit). Sur la base de ces échantillons, les objectifs de ce WP sont i) d'isoler et de caractériser jusqu'à trois nouvelles souches pour chaque processus (Fe-réduction et Fe-oxydation) puis d'étudier leurs propriétés écophysiologiques, leurs génomes et leur morphologie, ii) d'étudier les voies métaboliques de la Fe-réduction et de l'oxydation, en combinant des approches telles que la génomique comparative, la transcriptomique et en contrôlant les substrats, les intermédiaires et les produits métaboliques finaux, et iii) en fonction des voies métaboliques obtenues, de nouveaux marqueurs génétiques pour la réduction et l'oxydation du fer seront définis.
- WP2 Structure et fonctions des communautés microbiennes in situ impliquées dans le cycle du fer à l'échelle d'un site hydrothermal marin profond
Pour ce WP, une stratégie d'échantillonnage consistant à prélever des échantillons le long d'un transect allant de la zone chaude à la zone froide d'un site hydrothermal sera mise en œuvre pendant la campagne BICOSE3. A partir de ces échantillons, la structure et les fonctions des communautés microbiennes impliquées dans le cycle du fer seront étudiées par métabarcoding et métagénomiques en utilisant des gènes marqueurs conçus dans le WP1 et/ou des gènes marqueurs existants (mtrAB (réduction) ou Cyc2 (oxydation)). De plus, les assemblages microbiens seront visualisés à l'aide de techniques d'imagerie afin de mieux comprendre l'organisation spatiale de ces communautés ainsi que les interactions possibles entre les microorganismes et leur substrat.
- WP3 Quantification expérimentale de l'altération biotique des minéraux riches en fer.
L'altération des minéraux riches en fer sera évaluée in vitro, à l’aide de bioréacteurs gas-lift permettant d’enrichir les communautés microbiennes tout en contrôlant les paramètres de température, pH et mélange gazeux. Des analyses géochimiques seront effectuées afin de quantifier les produits d'altération des minéraux riches en Fe dus à l'oxydation ou à la réduction biotique du fer. Des approches telles que la spectroscopie d'absorption des rayons X, la diffraction des rayons X, le MEB, les analyses isotopiques du fer et les analyses géochimiques des éléments majeurs et traces seront mises en œuvre. En parallèle, les communautés microbiennes seront décrites par métabarcoding et métagénomique afin de croiser les données géochimiques et microbiologique lors de l'altération biotique des minéraux riches en fer.

Les principaux résultats attendus sont les suivants :
- La caractérisation de 3 nouvelles souches microbiennes pour chaque processus (Fe3+-réduction et Fe2+-oxydation).
- L'identification de nouveaux marqueurs génétiques pour les processus de Fe3+ réduction et Fe2+ oxydation.
- La caractérisation des communautés microbiennes in situ (diversité taxonomique et fonctionnelle) impliquées dans le cycle du fer à l'échelle d'une cheminée hydrothermale.
- La caractérisation du rôle des microorganismes Fe3+ réducteurs et Fe2+ oxydants dans l'altération/minéralisation des minéraux riches en fer.

Le projet IRON2MI se concentre sur les deux principaux processus microbiens du cycle du fer afin d'obtenir une vision globale de ce cycle dans les écosystèmes hydrothermaux marins profonds. En combinant des études microbiologiques et géochimiques, le projet améliorera notre connaissance de la diversité, de la structure et des fonctions des communautés microbiennes impliquées dans le cycle du fer. De plus, compte tenu de la demande sociétale croissante en ressources minérales et des futurs projets miniers océaniques ciblant les gisements de sulfures polymétalliques, il est important de déterminer la contribution des communautés microbiennes impliquées dans l'altération des minéraux riches en fer. Ce dernier aspect est important pour comprendre l'impact de l'exploitation minière en eaux profondes et l'évolution des dépôts de sulfures sur les fonds marins.

References:
Boschen, R. E., Rowden, A. A., Clark, M. R., & Gardner, J. P. (2013). Mining of deep-sea seafloor massive sulfides: a review of the deposits, their benthic communities, impacts from mining, regulatory frameworks and management strategies. Ocean Coast. Manag., 84, 54-67.
Chen, Y., He, Y., Shao, Z., Han, X., Chen, D., Yang, J., & Zeng, X. (2021). Thermosipho ferrireducens sp. nov., an anaerobic thermophilic iron (III)-reducing bacterium isolated from a deep-sea hydrothermal sulfide deposits. Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 71(7), 004929.
Edwards, K. J., McCollom, T. M., Konishi, H., & Buseck, P. R. (2003). Seafloor bioalteration of sulfide minerals: results from in situ incubation studies. Geoch. Cosmochim. Acta, 67(15), 2843-2856.
Emerson, D., Rentz, J. A., Lilburn, T. G., Davis, R. E., Aldrich, H., Chan, C., & Moyer, C. L. (2007). A novel lineage of proteobacteria involved in formation of marine Fe-oxidizing microbial mat communities. PloS one, 2(8), e667.
Haymon, R. M. (1983). Growth history of hydrothermal black smoker chimneys. Nature, 301(5902), 695-698.
Makita, H., Tanaka, E., Mitsunobu, S., Miyazaki, M., Nunoura, T., Uematsu, K., ... & Takai, K. (2017). Mariprofundus micogutta sp. nov., a novel iron-oxidizing zetaproteobacterium isolated from a deep-sea hydrothermal field at the Bayonnaise knoll of the Izu-Ogasawara arc, and a description of Mariprofundales ord. nov. and Zetaproteobacteria classis nov. Arch. Microbiol., 199(2), 335-346.
Murton, B. J., Lehrmann, B., Dutrieux, A. M., Martins, S., de la Iglesia, A. G., Stobbs, I. J., ... & Petersen, S. (2019). Geological fate of seafloor massive sulphides at the TAG hydrothermal field (Mid-Atlantic Ridge). Ore Geology Reviews, 107, 903-925.
Singer, E., Emerson, D., Webb, E. A., Barco, R. A., Kuenen, J. G., Nelson, W. C., ... & Edwards, K. J. (2011). Mariprofundus ferrooxydans PV-1 the first genome of a marine Fe (II) oxidizing Zetaproteobacterium. PloS one, 6(9), e25386.
Slobodkina, G. B., Kolganova, T. V., Chernyh, N. A., Querellou, J., Bonch-Osmolovskaya, E. A., & Slobodkin, A. I. (2009a). Deferribacter autotrophicus sp. nov., an iron (III)-reducing bacterium from a deep-sea hydrothermal vent. Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 59(6), 1508-1512.
Toner, B. M., Santelli, C. M., Marcus, M. A., Wirth, R., Chan, C. S., McCollom, T., ... & Edwards, K. J. (2009). Biogenic iron oxyhydroxide formation at mid-ocean ridge hydrothermal vents: Juan de Fuca Ridge. Geoch. & Cosmoch. Acta, 73(2), 388-403.

Les écosystèmes hydrothermaux dépendent fortement des substrats riches en fer (Fe) que l'on trouve à des concentrations importantes dans les minéraux sulfurés sous forme solide tels que la pyrite, la chalcopyrite, la marcassite ou la pyrrhotite ou dans des minéraux complexés tels que les oxy-hydroxydes de fer. La diversité et la structure des communautés microbiennes impliquées dans le cycle du fer dans les écosystèmes des sources hydrothermales marines des grands fonds pourraient fortement influencer la biominéralisation et l'altération des structures minérales et, par conséquent, participer au maintien des communautés microbiennes. La distribution spatiale des formes du Fe est largement façonnée par les gradients redox qui caractérisent cette partie de la géosphère. Par conséquent, le Fe ferrique (Fe3+) est principalement utilisé par les procaryotes chimioorganotrophes comme accepteur d'électrons dans des conditions anaérobies tandis que le Fe ferreux (Fe2+) est un élément chimique structurant les communautés chimiolithoautotrophes à pH acide. Les voies impliquées dans les métabolismes Fe3+-réducteurs et Fe2+-oxydants ne sont que partiellement résolues. A ce jour, seuls quelques procaryotes (hyper)thermophiles Fe3+-réducteurs et des taxons Fe2+-oxydants ont été isolés. Cependant, des études génomiques récentes sur les Zetaproteobacteria, ont fourni de nouveaux gènes marqueurs impliqués dans l'oxydation du Fe2+ caractérisant le rôle de ces microorganismes dans les écosystèmes hydrothermaux profonds et démontrant ainsi leur implication dans l'altération des minéraux riches en Fe. Par conséquent, l'objectif principal du projet IRON2MI est de cultiver des microorganismes et de caractériser les voies métaboliques impliquées dans la réduction du Fe3+ et l'oxydation du Fe2+ dans les écosystèmes marins hydrothermaux profonds, et finalement d’évaluer leur contribution à l'altération des minéraux riches en Fe. Des techniques de culture de pointe, des approches génomiques et des mesures in situ appliquées à l'étude des écosystèmes des sources hydrothermales marines profondes de la dorsale médio-atlantique seront utilisées. Globalement, ces processus sont importants pour comprendre l'impact de l'exploitation minière en eaux profondes et l'évolution des dépôts du plancher océanique.

Coordination du projet

Sophie Mieszkin (Université de Brest)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Université de Brest

Aide de l'ANR 292 406 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2022 - 48 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter