Des organismes microscopiques connus sous le nom d'extrêmophiles habitent certains des derniers endroits sur Terre où vous pourriez vous attendre à trouver de la vie, des pressions extrêmes du fond océanique aux calottes glaciaires glaciales. Comprendre comment ces microbes survivent en interagissant avec différents métaux et gaz ouvre de nouvelles connaissances sur les éléments de la Terre et leurs utilisations potentielles.

L'un de ces habitats extrêmes est constitué par les volcans de boue - généralement des structures en forme de cône ou des bassins qui rejettent de la boue bouillonnante, ainsi que de la vapeur et des gaz comme le méthane et le dioxyde de carbone.

Plus de 1, 000 volcans de boue, qui sont souvent associées à des zones dites de subduction, où une plaque tectonique est forcée sous une autre, et peut être extrêmement acide, ont jusqu'à présent été trouvés sur terre ou à proximité.

Certains chercheurs ont cherché à en savoir plus sur les communautés microbiennes que contiennent ces volcans de boue et leur rôle dans le cycle des gaz et d'autres éléments, dont le méthane, hydrogène, l'ammoniac et le soufre.

En Italie, un projet appelé VOLCANO a étudié les microbes qui vivent dans des mares de boue très acides dans le cratère du volcan dormant Solfatara près de Naples et sur une île volcanique au nord de la Sicile appelée Vulcano, qui à l'origine a donné son nom au mot « volcan » et est célèbre pour ses bains de boue et ses sources chaudes.

Professeur Huub Op den Camp, un microbiologiste à l'Université Radboud de Nimègue, les Pays-Bas, et chercheur principal sur VOLCANO, dit que les chercheurs ont découvert "par hasard" un troisième site d'exploration - l'île volcanique de Pantelleria, à l'ouest de la Sicile. Cela s'est produit lorsqu'ils ont rencontré d'autres chercheurs qui avaient trouvé des preuves moléculaires suggérant que Pantelleria était chaude, les sols acides contenaient des bactéries apparentées à celles des mares de boue et impliquées dans le recyclage des mêmes gaz.

Ces habitats, en tant que source importante du puissant gaz à effet de serre méthane, fournissent désormais de précieux indices sur le changement climatique, ainsi que d'avoir des applications potentielles dans les technologies vertes telles que les biocarburants et le recyclage des métaux dans les appareils électroniques.

Éléments de terres rares

L'une des principales inspirations de VOLCANO était liée aux éléments dits de terres rares (REE), un groupe de 17 éléments métalliques chimiquement similaires qui sont en fait abondants dans la croûte terrestre malgré leur nom.

Plus tôt, L'équipe du professeur Op den Camp avait découvert que les terres rares étaient une partie essentielle du métabolisme dans Methylacidiphilum fumariolicum SolV, un microbe aimant l'acide trouvé dans un volcan de boue de Solfatara qui peut vivre à des niveaux de pH extrêmes inférieurs à 1 et tire son énergie de la consommation - ou de l'oxydation - du méthane.

C'était la première fois que les terres rares étaient identifiées comme une condition de la vie dans un organisme, après qu'on pensait auparavant qu'il n'était pas impliqué dans les processus biologiques. Cérium, le plus abondant des 15 terres rares connues sous le nom de lanthanides, semblait être le principal moyen de stimuler la croissance parmi plusieurs des chercheurs testés.

"C'était un métal totalement inconnu pour être actif dans la vie. Nous avons découvert qu'il existe une enzyme (un catalyseur biologique) dans ces bactéries qui contient ce métal comme cofacteur, et sans ce lanthanide l'organisme ne peut pas fonctionner, " a déclaré le professeur Op den Camp. Il dit que leur découverte sur les terres rares a conduit à un " domaine de recherche en plein essor " sur de tels processus chez les extrêmophiles.

Il est également devenu évident que l'utilisation des terres rares parmi les bactéries en général est beaucoup plus courante qu'on ne le pensait auparavant, y compris dans les habitats non volcaniques de boue. L'équipe du professeur Op den Camp a trouvé, par exemple, que deux nouveaux organismes oxydant le méthane des sédiments de la mer du Nord contenaient des enzymes dépendantes des lanthanides, tandis qu'un examen qu'ils ont effectué a mis en évidence la croissance de la recherche utilisant les terres rares pour cultiver des microbes auparavant considérés comme incultivables.

En plus de trouver comment faire pousser de tels microbes en laboratoire, les découvertes aident à en découvrir de nouvelles. "Maintenant, de plus en plus de personnes isolent des bactéries strictement dépendantes des lanthanides, " a déclaré le professeur Op den Camp.

Applications

Tout cela a potentiellement de nombreuses utilisations. Si nous pouvons apprendre à isoler de grandes quantités de ces éléments des bactéries, nous pourrions utiliser ces connaissances pour extraire et recycler les métaux des téléphones portables et autres appareils électroniques, qui contiennent des terres rares comme le cérium, lanthane et néodyme. Cela peut être utile à long terme car ces éléments sont difficiles à extraire et à extraire économiquement, en plus d'être fini.

Pouvoir manipuler les lanthanides pourrait également aider à la production de biogaz respectueux de l'environnement, comme le méthanol vert. Au cours de la culture de M. fumariolicum, les chercheurs ont pu produire du méthanol à partir de méthane en limitant les lanthanides comme intrant qui aiderait autrement à transformer le méthanol en formaldéhyde.

Pendant ce temps, l'équipe a découvert que la même bactérie peut récupérer les infimes quantités de trace d'hydrogène gazeux de l'atmosphère - où il est présent à seulement 0,5 partie par million de molécules de gaz - pour les utiliser comme source d'énergie en plus du méthane. Le professeur Op den Camp affirme que l'énergie supplémentaire obtenue à partir de l'hydrogène pourrait aider les bactéries à oxyder plus de méthane.

"Peut-être que les deux métabolismes (de l'hydrogène et du méthane) s'aident aussi à piéger de très faibles concentrations de ces gaz, " il a dit, soulevant des questions sur jusqu'où ils peuvent aller pour éliminer les gaz à l'état de traces de l'atmosphère.

Cela renforce également la preuve que le métabolisme microbien de l'hydrogène moléculaire est beaucoup plus courant qu'on ne le pensait à l'origine, donnant plus d'indices sur le cycle de l'hydrogène sur Terre. Par ailleurs, l'hydrogène étant exploré comme carburant vert clé du futur, Le professeur Op den Camp dit que cela pourrait éventuellement aider à conduire une «économie de l'hydrogène» si le gaz peut être isolé des microbes en inversant l'activité de l'hydrogénase, l'enzyme mangeuse d'hydrogène de la bactérie.

Son équipe a également calculé de manière spéculative si les bactéries pouvaient être utilisées dans des filtres pour réduire le méthane des vaches, les principaux émetteurs de gaz. Cependant, ils ont compris qu'avec la technologie actuelle, la taille du filtre devrait être trop grande pour être réalisable.

Et le professeur Op den Camp souligne également que de nombreuses applications pour les extrémophiles des volcans de boue pourraient être lointaines, avec des défis dans la mise à l'échelle d'une telle activité. "Vous pouvez penser à des applications, mais c'est encore un peu loin, " a-t-il dit. " Il en coûtera aussi beaucoup d'argent à prendre à grande échelle. "

Mais alors que de nombreuses applications peuvent prendre un certain temps, Le professeur Op den Camp affirme que toutes les recherches contribuent à améliorer progressivement la compréhension des cycles fondamentaux des gaz sur Terre, ce qui facilite notre connaissance du climat. "Ce type d'information est important pour la compréhension future du cycle des éléments qui influencent le climat, " il a dit.

Ces habitats extrêmes sont également utiles à étudier car leur biodiversité relativement faible les rend moins complexes que d'autres écosystèmes, explique le professeur Op den Camp, même si cela peut être moins simple qu'on ne le pensait à l'origine. "Ils apportent encore de grosses surprises, " dit-il. " Dans le sol de Pantelleria, nous avons également trouvé des bactéries productrices de méthane, ce à quoi nous ne nous attendions pas du tout."

Des conditions difficiles

Dr Anna Kruger, consultant en génie génétique à l'Autorité de l'environnement, Climat, Énergie et agriculture à Hambourg, Allemagne, a mené des recherches sur les extrêmophiles dans des endroits comme Vulcano. Elle dit que son ancienne équipe de l'Université de technologie de Hambourg a été "surprise" par le nombre de groupes d'espèces différents qu'elle a pu détecter en séquençant l'ADN à partir d'endroits tels que des sources chaudes et des volcans de boue.

Elle dit que les enzymes, ou 'extrémozymes, " trouvés dans de tels microbes sont prometteurs en raison de leur capacité à résister aux types de conditions difficiles souvent rencontrées dans les processus industriels et ont le potentiel d'aider à développer des biocatalyseurs à utiliser dans la vie quotidienne, comme dans les détergents à lessive.

« La biotechnologie est un aspect clé pour faire évoluer notre économie d'une économie basée sur le pétrole et consommatrice de ressources à une communauté biosourcée durable, " elle a ajouté.

En savoir plus, par exemple, des microbes qui aiment la chaleur extrême, élargirait les possibilités, dit le Dr Krüger. "Je pense que ce sera une étape importante pour analyser la dynamique de la communauté et comprendre les interactions métaboliques complètes, ", a-t-elle déclaré. " Cela permettrait alors la conception d'espèces extrêmes sur mesure pour la production de toutes sortes de produits chimiques, médical, antibiotiques et bioplastiques à des températures élevées."

Elle a également souligné une enzyme résistante à la chaleur isolée à l'origine de bactéries dans les sources chaudes du parc national de Yellowstone qui a été essentielle pendant la pandémie de COVID-19. "La plus importante est toujours la polymérase Taq, qui a permis la réaction en chaîne par polymérase (PCR), l'étalon-or de nos tests SARS-CoV-2 actuels, " elle a dit.

Professeur Alexandre Soares Rosado, un microbiologiste environnemental à l'Université des sciences et technologies King Abdullah à Thuwal, Arabie Saoudite, considère également que les organismes qui ont dû s'adapter pour prospérer dans des endroits où la vie a été poussée à ses limites sont prometteurs pour des applications en biotechnologie et en développement durable.

Il considère les extrêmophiles comme potentiellement fournissant des applications plus durables dans des secteurs avec une augmentation prévue de la demande d'enzymes, comme la nourriture et les boissons, biocarburants et aliments pour animaux.

"Ce n'est que récemment que nous avons commencé à comprendre et à disposer de meilleurs outils pour démêler la diversité des extrêmophiles dans le monde, " a déclaré le professeur Rosado, qui étudie les habitats difficiles en Arabie saoudite tels que les volcans actifs et inactifs, déserts et sites géothermiques. "En conséquence, il y a un énorme potentiel pour les applications biotechnologiques dans le monde réel."

Volcans de boue

Pendant ce temps, les volcans de boue eux-mêmes peuvent nous aider à comprendre des écosystèmes uniques étroitement liés à la plomberie des gaz, fluids and sediments from fracture networks that often extend several kilometers down, says Dr. Pei-Ling Wang, a geochemist at the National Taiwan University in Taipei.

They can also bring fundamental knowledge about the climate cycle, Elle ajoute. "Microbial power in the bubbling mud pools or cone structures and surrounding mud platforms is critical to regulating the flux of greenhouse gases, " said Dr. Wang.

"Methanotrophs (microbes that metabolize methane) living in terrestrial mud volcanoes are critical players for methane consumption. Understanding their physiology, capabilities and distribution can establish a model for their role in greenhouse gas regulation."