Deux vues des cheminées de carbonate du suintement de méthane de Point Dume au large du sud de la Californie sont recouvertes de tapis microbiens colorés et imprégnées de microbes mangeurs de méthane. Crédit :Schmidt Ocean Institute (Autorisation d'utilisation avec citation appropriée)
Le méthane est un puissant gaz à effet de serre qui joue un rôle clé dans le climat de la Terre. Chaque fois que nous utilisons du gaz naturel, que nous allumions notre cuisinière ou notre barbecue, nous utilisons du méthane.
Seules trois sources sur Terre produisent naturellement du méthane :les volcans, interactions souterraines eau-roche, et microbes. Entre ces trois sources, la plupart sont générés par des microbes, qui ont déposé des centaines de gigatonnes de méthane dans les grands fonds marins. Au fond de la mer, le méthane s'infiltre, il s'infiltre vers le haut vers l'océan ouvert, et les communautés microbiennes consomment la majorité de ce méthane avant qu'il n'atteigne l'atmosphère. Au cours des années, les chercheurs trouvent de plus en plus de méthane sous le fond marin, pourtant très peu quitte jamais les océans et pénètre dans l'atmosphère. Où va le reste ?
Une équipe de chercheurs dirigée par Jeffrey J. Marlow, ancien chercheur postdoctoral en Biologie Organisme et Évolution à l'Université de Harvard, découvert des communautés microbiennes qui consomment rapidement le méthane, empêchant sa fuite dans l'atmosphère terrestre. L'étude publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciences collecté et examiné des microbes mangeurs de méthane provenant de sept suintements de fonds marins géologiquement divers et trouvés, le plus surprenant, que les roches carbonatées d'un site en particulier hébergent des communautés microbiennes oxydant le méthane avec les taux de consommation de méthane les plus élevés mesurés à ce jour.
"Les microbes dans ces roches carbonatées agissent comme un biofiltre à méthane qui le consomme avant qu'il ne quitte l'océan, " a déclaré l'auteur principal Peter Girguis, Professeur de biologie organique et évolutive, Université de Harvard. Les chercheurs étudient les microbes vivant dans les sédiments du fond marin depuis des décennies et savent que ces microbes consomment du méthane. Cette étude, cependant, examiné en détail les microbes qui se développent dans les roches carbonatées.
Les roches carbonatées du fond marin sont courantes, mais dans certains endroits, ils forment des structures inhabituelles en forme de cheminée. Ces cheminées atteignent 12 à 60 pouces de hauteur et se trouvent en groupes le long du fond marin ressemblant à un peuplement d'arbres. Contrairement à de nombreux autres types de roches, ces roches carbonatées sont poreuses, créant des canaux qui abritent une communauté très dense de microbes consommateurs de méthane. Dans certains cas, ces microbes se trouvent dans des densités beaucoup plus élevées dans les roches que dans les sédiments.
Lors d'une expédition de 2015 financée par l'Ocean Exploration Trust, Girguis a découvert un récif de cheminée de carbonate au large de la côte sud de la Californie sur le site en eau profonde de Point Dume. Girguis est revenu en 2017 avec un financement de la NASA pour construire un observatoire des fonds marins. En rejoignant le laboratoire de Girguis, Marlow, actuellement professeur adjoint de biologie à l'Université de Boston, étudiait les microbes dans les carbonates. Les deux ont décidé de mener une étude communautaire et de recueillir des échantillons sur le site.
"Nous avons mesuré la vitesse à laquelle les microbes des carbonates mangent du méthane par rapport aux microbes des sédiments, " a déclaré Girguis. "Nous avons découvert que les microbes vivant dans les carbonates consomment du méthane 50 fois plus rapidement que les microbes dans les sédiments. Nous voyons souvent que certains microbes de sédiments provenant de volcans de boue riches en méthane, par exemple, peut être cinq à dix fois plus rapide à manger du méthane, mais 50 fois plus rapide est une toute nouvelle chose. De plus, ces taux sont parmi les plus élevés, sinon le plus haut, nous avons mesuré n'importe où."
"Ces taux d'oxydation du méthane, ou la consommation, sont vraiment extraordinaires, et nous avons cherché à comprendre pourquoi, " dit Marlow.
L'équipe a découvert que la cheminée de carbonate constitue un foyer idéal pour que les microbes mangent beaucoup de méthane très rapidement. "Ces cheminées existent parce qu'une partie du méthane contenu dans le fluide s'écoulant du sous-sol est transformé par les microbes en bicarbonate, qui peut alors précipiter hors de l'eau de mer sous forme de roche carbonatée, " a déclaré Marlow. "Nous essayons toujours de comprendre d'où vient ce fluide et son méthane."
Les micro-environnements au sein des carbonates peuvent contenir plus de méthane que les sédiments en raison de leur nature poreuse. Les carbonates ont des canaux qui irriguent constamment les microbes avec du méthane frais et d'autres nutriments leur permettant de consommer du méthane plus rapidement. Dans les sédiments, l'apport de méthane est souvent limité car il diffuse à travers de plus petites, canaux d'enroulement entre les grains minéraux.
Une découverte surprenante était que, dans certains cas, ces microbes sont entourés de pyrite, qui est électriquement conducteur. Une explication possible des taux élevés de consommation de méthane est que la pyrite fournit un conduit électrique qui fait passer les électrons dans les deux sens, permettant aux microbes d'avoir des taux métaboliques plus élevés et de consommer rapidement du méthane.
« Ces taux très élevés sont facilités par ces carbonates qui fournissent un cadre pour la croissance des microbes, " a déclaré Girguis. " Le système ressemble à un marché où les carbonates permettent à un groupe de microbes de s'agréger en un seul endroit et de croître et d'échanger - dans ce cas, échanger des électrons, ce qui permet une plus grande consommation de méthane."
Marlow a accepté, "Lorsque les microbes travaillent ensemble, ils échangent des éléments constitutifs comme le carbone ou l'azote, ou ils échangent de l'énergie. Et une façon de le faire est d'utiliser des électrons, comme une monnaie énergétique. La pyrite dispersée dans ces roches carbonatées pourrait aider à ce que l'échange d'électrons se produise plus rapidement et plus largement."
Dans le laboratoire, les chercheurs ont placé les carbonates collectés dans des réacteurs à haute pression et recréé des conditions sur le fond marin. Ils leur ont donné du méthane marqué isotopiquement avec du carbone-14 ou du deutérium (hydrogène-2) ajouté afin de suivre la production et la consommation de méthane. L'équipe a ensuite comparé les données de Point Dume à six autres sites, du golfe du Mexique à la côte de la Nouvelle-Angleterre. Dans tous les lieux, les roches carbonatées des suintements de méthane contenaient des microbes mangeurs de méthane.
« Ensuite, nous prévoyons de démêler comment chacune de ces différentes parties des carbonates - la structure, conductivité électrique, l'écoulement d'un fluide, et une communauté microbienne dense, rendent cela possible. A partir de maintenant, on ne connaît pas la contribution exacte de chacun, " dit Girguis.
"D'abord, nous devons comprendre comment ces microbes maintiennent leur taux métabolique, qu'ils soient dans une cheminée ou dans les sédiments. Et nous devons le savoir dans notre monde en mutation afin de construire notre pouvoir prédictif, " a déclaré Marlow. " Une fois que nous aurons clarifié comment ces nombreux facteurs interconnectés se réunissent pour transformer le méthane en roche, on peut alors se demander comment appliquer ces microbes anaérobies mangeurs de méthane à d'autres situations, comme des décharges avec des fuites de méthane."
