Santé

Bactéries et géologie

Dossier - Bactéries et microbes en tout genre
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Les bactéries sont de minuscules êtres vivants faits d'une seule cellule, présents un peu partout : l'air, les sols, l'eau, la peau. Certaines provoquent des maladies (rhume, listériose) d'autres sont utiles à l'homme : présentes dans l'intestin elles aident à digérer, elles sont utilisées pour fabriquer des aliments (yaourts, choucroute)...

  
DossiersBactéries et microbes en tout genre
 

1 - De très vieilles bactéries vivantes

Elles sont capables de toutes les prouesses et détiennent de nombreux records, dont celui de la longévité. La plus vieille bactérie datait de 25 millions d'années : une abeille s'est retrouvée engluée dans un filet de sève transformé en ambre. Si l'abeille a laissé sa vie dans cette fossilisation, il n'en a pas été de même pour. Après des millions d'années les microbes qu'elle hébergeait ont été retrouvés vivants. D'innombrables microfossiles ont été saisis par la résine, parmi lesquels une grande diversité de bactéries, de cyanobactéries, de spores de champignons, d'algues, ou encore un lichen et un grain de pollen.

Morceau d'ambre

Dans un article paru dans Nature, une équipe de chercheurs américains annonce que, dans un cristal de sel collecté à 569 m de profondeur à Carlsbad (Nouveau-Mexique), ils ont déniché des cellules qui ont pu être ranimées. L'âge du cristal : 250 millions d'années ! Les scientifiques n'écartent jamais la possibilité d'une contamination. Les chercheurs doivent donc démontrer que les bactéries sont bien des reliques. Pour éviter la contamination, les chercheurs ont employé des méthodes draconiennes, détaillées dans leur article. Après avoir évacué ce problème, les scientifiques ont dû s'assurer que les bactéries ne s'étaient pas mises en place après le sel. Dans le cristal, les bactéries étaient à l'intérieur d'une inclusion fluide prise dans la masse. Pour atteindre la poche de liquide, les chercheurs ont utilisé un mini-foret, technique de forage relativement douce, mais si des fissures apparaissaient dans le cristal, ce dernier était rejeté, dans le but de prévenir une contamination. Une fois aspirés, les 9 microlitres ont servi à inoculer des milieux de culture salés. Après quelques jours des colonies se sont formées. Les cellules vivantes étaient rares, puisque seuls 2 des 53 cristaux étudiés ont donné des colonies. La souche a été baptisée 2-9-3 , un nom peu poétique pour ce fossile vivant de 250 millions d'années. Lorsque les conditions se dégradent de nombreuses bactéries sont capables de s'enkyster dans une spore qui leur permet de résister aux pires outrages. En sommeil, les cellules peuvent survivre dans l'attente de jours meilleurs. 2-9-3 a probablement suivi ce scénario. Il y a 250 millions d'années, un cataclysme provoquait une extinction massive, de 90 % des espèces vivantes. A cette même période, un lac salé du Nouveau-Mexique s'asséchait. L'eau s'évaporait, le sel cristallisait en séquestrant des bactéries. Comme tous les travaux scientifiques, cette découverte devra être validée avant que 2-9-3 ne reçoive la médaille du plus vieil organisme terrestre.

2 - Des bactéries partout…

  • Dans l'espace...

En ramenant un morceau de la caméra de la sonde Surveyor 3, les astronautes d' Apollo 12 ont découvert que des microorganismes importés de la Terre avaient résisté au climat lunaire.

Surveyor 3
  • Au fond de lacs bizarres...

Les procaryotes ne connaissent pas la reproduction sexuée au sens où nous l'entendons: chez eux, il n'y a pas brassage de gènes et recomposition d'un nouveau génome mais échange direct de fragments de matériel génétique. Ajouté à leur fantastique capacité de prolifération qui accélère encore leur évolution, cet échange génétique leur a permis de s'adapter à strictement tous les milieux que nous avons pu découvrir sur notre planète. Ainsi, 2 chercheurs de la Nasa (R. Hoover et E. Pikuta) ont découvert une nouvelle espèce bactérienne nommée Tindallia californiensis, au niveau du lac Mono (très salé et basique, mais abritant de nombreux organismes), en Californie. Cette bactérie prolifère dans un milieu comprenant 20 % de sel et à pH 10.

  • Au fond des océans...

Au cours de son ascension et de son refroidissement, le magma se contracte et se fissure. L'eau de mer s'infiltre sur plusieurs centaines de mètres de profondeur et se réchauffe au contact du basalte chaud jusqu'à atteindre des températures de 350°C. L'eau se charge en gaz, hydrogène, azote, oxyde de carbone, dioxide de carbone, méthane, anhydride sulfureux, hydrogène sulfuré, puis s'échappe du fond de l'océan sous forme de véritables geysers. Les sources hydrothermales sous-marines constituent un milieu exceptionnel qui a peu évolué depuis quatre milliards d'années. Les éléments indispensables à la fabrication d'une cellule y sont présents: hydrogène, azote, monoxyde et dioxyde de carbone, hydrogène sulfuré, méthane et, bien sûr eau. Le magma fournit l'énergie nécessaire sous forme de chaleur. Le milieu est protégé des effets destructeurs des rayons ultraviolets par la couche d'eau qui amortit également le bombardement météoritique.

Fumeur noir © CNRS

Le record pour les bactéries hyperthermophiles qui vivent à des températures supérieures à 80°C au voisinage des sources hydrothermales est actuellement de 113°C. Il semble bien que ces bactéries hyperthermophiles proviennent de bactéries vivant à des températures plus agréables, inférieures à 80°C, qui se seraient adaptées aux températures extrêmes relativement récemment. Il est donc peu probable que les sources hydrothermales aient été le berceau des de la vie mais elles ont très bien pu produire certaines des « pièces » nécessaires à son émergence.

A lire : Deux nouvelles bactéries isolées de puits de pétrole

Les gisements pétroliers hébergent de nombreuses populations bactériennes. Des microbiologistes de l'IRD étudient ces écosystèmes, et ont identifié deux nouvelles bactéries appartenant aux espèces consommatrices de nitrates. Les puits de pétrole constituent des environnements extrêmes, dont les conditions physico-chimiques se révèlent peu favorables à la vie. Pourtant, ces milieux abritent des bactéries réductrices de sulfates, méthanogènes et fermentaires, mais aussi nitrato-réductrices. On sait que les produits de l'activité des bactéries sulfato-réductrices, s'avèrent dangereux pour l'environnement et corrosifs pour le matériel. C'est pour limiter les sulfures produits que l'injection de nitrates est pratiquée dans certains puits. Grâce aux nitrates, des bactéries nitrato-réductrices présentes en faible proportion peuvent se multiplier et inhiber le développement des bactéries sulfato-réductrices.

En Australie et au Mexique, les chercheurs ont pu identifier deux nouveaux genres consommateurs de nitrates, Petrobacter succinatimandens et Garciella nitratireductens. Petrobacter succinatimandens, extraite d'un puits dans le Queensland est capable d'oxyder les acides organiques et est aérobie. Garciella nitratireductens, isolée de plusieurs puits du Golfe du Mexique, présente un métabolisme anaérobie, comme la plupart des microorganismes qui vivent dans ces milieux.

  • Dans le delta du Nil...

Jean Mascle, chercheur au laboratoire « Géosciences Azur » de l'Observatoire océanologique de Villefranche-sur-Mer mène cette recherche.

Delta du Nil

À l'aide du navire océanographique l'Atalante et du submersible, le Nautile de l'Ifremer, les chercheurs ont exploré une région de volcans, située à 3 000 mètres de profondeur à l'ouest du delta. Lors de ces plongées, des images de volcans de boue ont été obtenues : des monticules, d'un diamètre variant de quelques centaines de mètres à un kilomètre, formés par les fluides qui remontent vers la surface à travers une faille et qui ramènent de la vase. On peut y observer des lacs de saumures où se développent, par dégradation des hydrocarbures légers présents, des bactéries qui forment de grands voiles blanchâtres.

L'Atalante s'est ensuite dirigé vers des cheminées gazeuses, édifices circulaires qui s'étendent sur des kilomètres. Ici, la pression au niveau du plancher océanique est importante, le système, plus actif, voire explosif, ne favorise pas la prolifération des voiles blanchâtres mais les bactéries sont abondantes. Enfin, sur la pente continentale du delta à 2 000 mètres, les remontées de fluides participent à la construction d'encroûtements sédimentaires ; ils forment des plaques qui se disposent sur le fond en une sorte de mosaïque et dont les amas constituent les pock-marks. Là, les fluides - du méthane semble-t-il - sortent de manière diffuse. Au sein de ces plaques carbonatées, prolifèrent outre des bactéries, d'autres espèces comme des vers, des lamellibranches ou des oursins. Les scientifiques vont tenter d'éclaircir les liens entre ces émissions, le dépôt sédimentaire et la tectonique....

3 - Biostabilisation microbienne des sédiments

Comme les cyanobactéries et les diatomées beaucoup de bactéries produisent du mucilage sous forme de gangue de polysaccharides (les EPS, extra cellular polymeric substances). Leur rôle est de protéger la colonie de la dessication, mais cela limite aussi les échanges avec l'extérieur. Ce processus ajouté à la multiplication extraordinaire des bactéries peut entraîner la formation de grands voiles bactériens adhérant très bien au support et si ce sont des formes filamenteuses on obtient ainsi des grands « filets » qui forment un feutrage cohérent. Si ce processus continue dans de bonnes conditions on aura une matte microbienne qui peut engendrer (avec quelques minéraux) des constructions solides.

Lire à ce sujet :

Les algues, première lignée végétale, et notamment "les stomatholites"

4 - Laminations microbiennes

On peut obtenir ainsi des structures complexes formées de couches superposées qui peuvent avoir des couleurs différentes suivant les bactéries en présence comme dans la mer du Nord. Dans des environnements où la sédimentation est importante, des couches fines, appelées lamines, sombres si elles contiennent de la matière organique et plus claires si elles ne contiennent que du sédiment se succèdent formant des dépôts caractéristiques qui se rapprochent des varves sauf que dans notre cas il y a des bactéries dans le dépôt.

Schéma d'une expérience simple permettant la formation d'un voile bactérien

5 - Fossilisation et voile microbien

Mais aussi, ces voiles mucilagineux ou ces mattes peuvent emprisonner un objet ou mouler une forme sur une plage en immobilisant les particules de sable. Pour déplacer une particule de sable emprisonnée dans son voile mucilagineux il faut un courant d'eau 10-15 fois plus important que pour déplacer la même particule sans le voile ! On peut ainsi expliquer facilement la formation de fossiles de formes comme les gouttes de pluie, les ripple-marks, les traces d'animaux, les turicules de vers etc. mais aussi de petits organismes plus ou moins mous : vers, insectes, araignées, puces d'eau, méduses etc. Plusieurs schistes bitumeux ou non contiennent ce genre de fossiles : Wurtemberg, Hunsrück, Messel, Burgess...

6 - Bioaltération des minéraux et biominéralisation microbiennes.

On sait que les bactéries sont responsables de la dégradation de la matière organique mais on sait moins qu'elles sont aussi, pas les mêmes bien sûr, capables de dégrader des fractions minérales de sédimentsLes particules peuvent être fragmentées en particules plus petites, les pierres altérées : calcaires, grès et granites sont tous touchés par le processus, même le verre des vitraux !

Mais inversément les bactéries, d'autres encore, sont capables de fabriquer des minéraux et la liste commence à être longue de ceux dont on a pu montrer la formation en présence de micro-organismes : calcite, aragonite, dolomite, apatite, sidérite, magnétique, sulfures de fer, oxyde de manganèse, mais aussi des calcrètes, des travertins... mais les processus ne sont pas encore éclaircis : il semble que la première étape soit une précipitation au niveau des membranes puis une formation d'inclusions cytoplasmiques autour des microcristaux qui vont croître à mesure des apports...

7 - Métallogenèse

Leptothrix ( découverte à la fin du XIXème par Winogradsky) est une bactérie qui ne peut vivre que dans un milieu contenant du fer ferreux dissous qu'elle transforme en fer ferrique et fixe dans sa membrane sous forme d'hydroxyde de fer.

Les Banded Iron Formation BIF du protérozoïque inférieur sont caractéristiques des cratons anciens : Hammersley en Australie de l'ouest, la Mauritanie, le Brésil. Ces formations dont on a dit qu'elles étaient dues à des bactéries ou des microorganismes semblent plus probablement dues à des oxydations chimiques hydrothermales, peut être enrichies par des bactéries ? Ce sont des gisements très riches 30-40% et très abondants qui constituent actuellement les principaux gisements de fer. Néanmoins les gisements de Pilbara (Australie) ou Baberton (Afrique du Sud) contiennet des bactéries fossiles.

A lire : Le fer tombe le masque 

Solnhofen
Dendrites de manganèse sur calcaire

Le problème est le même pour le manganèse et on a pu montrer que les belles dendrites de manganèse des calcaires de Solnhofen, par exemple, sont formées par Bacillus cereus... Et l'or ?

Le nourrissage des pépites : Il y a quelques années un chercheur de USGS, Watterson (1992) a trouvé des formes de cellules allongées sur des particules d'or attaquées à l'acide. Ce phénomène semble assez courant et pourrait expliquer le fameux nourrissage des pépites d'or et le renouvellement de certains placers...On a pu montrer en laboratoire que des bactéries sont capables d'intégrer de l'or et de le précipiter.

Pépites d'or

A lire : L'or, la magie des alchimistes 
Voir aussi à ce sujet l'utilisation des bactéries dans la métallurgie : chapitre suivant.