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Jul 03, 2023

L’hydrogène et l’oxygène sombre stimulent la productivité microbienne dans divers écosystèmes d’eaux souterraines

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 3194 (2023) Citer cet article 6805 Accès 135 Détails d'Altmetric Metrics Environ 50 % de l'humanité dépend des eaux souterraines comme source d'eau potable.

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 3194 (2023) Citer cet article

6805 Accès

135 Altmétrique

Détails des métriques

Environ 50 % de l’humanité dépend des eaux souterraines comme source d’eau potable. Nous étudions ici l'âge, la géochimie et la microbiologie de 138 échantillons d'eau souterraine provenant de 95 puits de surveillance (<250 m de profondeur) situés dans 14 aquifères au Canada. La géochimie et la microbiologie montrent des tendances cohérentes suggérant des cycles aérobies et anaérobies à grande échelle de l’hydrogène, du méthane, de l’azote et du soufre effectués par diverses communautés microbiennes. Les eaux souterraines plus anciennes, en particulier dans les aquifères comportant des strates riches en carbone organique, contiennent en moyenne plus de cellules (jusqu'à 1, 4 × 107 mL−1) que les eaux souterraines plus jeunes, ce qui remet en cause les estimations actuelles de l'abondance des cellules souterraines. Nous observons des concentrations substantielles d'oxygène dissous (0,52 ± 0,12 mg L−1 [moyenne ± SE] ; n = 57) dans les eaux souterraines plus anciennes qui semblent soutenir les métabolismes aérobies dans les écosystèmes souterrains à une échelle sans précédent. La métagénomique, les analyses isotopiques de l'oxygène et les modèles de mélange indiquent que l'oxygène sombre est produit in situ par dismutation microbienne. Nous montrons que les anciennes eaux souterraines soutiennent des communautés productives et mettons en évidence une source d’oxygène négligée dans les écosystèmes souterrains présents et passés de la Terre.

Environ 2 % des ressources en eau de la Terre se trouvent sous forme d'eaux souterraines, dont la moitié est salée et l'autre moitié douce1. Cette eau douce souterraine représente environ 30 % des ressources mondiales en eau douce, soit soixante fois plus que celles de tous les lacs, rivières et atmosphère réunis, et dépassée seulement par les calottes polaires inaccessibles et actuellement encore gelées1. Les aquifères et les fractures rocheuses peuvent également contenir jusqu'à 30 % de la biomasse microbienne totale sur Terre2,3, contribuer de manière substantielle à la fixation du carbone4 et contenir de fortes proportions d'archées, de bactéries et de virus2,5 non cultivés avec un large spectre de modes de vie6. Malgré la présence mondiale d’eaux souterraines ainsi que l’ampleur et la diversité de leur biomasse résidente, notre compréhension de la composition et de l’activité des communautés microbiennes habitant ces écosystèmes aquatiques cachés est encore inégale, souvent développée à partir d’échantillons de quelques puits sélectionnés ou d’un seul aquifère. En particulier, les processus géochimiques et écologiques qui façonnent les communautés microbiennes des eaux souterraines dans l’espace et dans le temps ne sont pas bien limités7.

L’établissement de liens solides entre les communautés microbiennes et les caractéristiques géochimiques des eaux souterraines nécessite de vastes ensembles de données disposant d’un inventaire environnemental complet associé à chaque échantillon de communauté microbienne. À cette fin, le réseau de puits d'observation des eaux souterraines (GOWN), géré par Alberta Environment and Protected Areas (AEPA) au Canada, a compilé des données géochimiques pour plus de 250 eaux souterraines obtenues à partir de puits de surveillance dans différents aquifères et régions géographiques, représentant une variété de régimes géochimiques. et l'âge des eaux souterraines. Chaque puits GOWN a été échantillonné à plusieurs reprises pendant de nombreuses années, dont certains pendant plusieurs décennies8. Depuis 2006, ce programme de surveillance complet a systématiquement collecté des informations régulières sur le niveau d'eau et la qualité chimique de l'eau ainsi que sur les compositions isotopiques des échantillons aqueux et gazeux9. La province de l'Alberta est située dans le bassin sédimentaire de l'Ouest canadien, qui abrite d'importants gisements de pétrole, de gaz, de charbon, ainsi que de soufre, de sel, de calcaire et de dolomite10. Le sous-sol peu profond et profond a été largement étudié dans le contexte de l'exploration et de l'exploitation du pétrole et du charbon11 (Fig. 1).

a Localisation des puits d'eau souterraine étudiés dans le contexte des ressources énergétiques de la province de l'Alberta. Les couleurs indiquent l'âge de la nappe phréatique de chaque puits (jaune : eaux plus jeunes ; rouge : âge intermédiaire ; bleu : eaux plus anciennes riches en sulfate ; violet : eaux plus anciennes avec peu de sulfate). La taille du cercle représente le nombre moyen de cellules microbiennes dans les échantillons d’eau souterraine, allant de 104 (le plus petit cercle complet) à 107 cellules par ml (le plus grand cercle). La carte a été créée à l'aide d'Arc-GIS v10.8 b Proportion relative des types d'eau dans les sédiments de surface, de chenal et de substrat rocheux, ainsi que dans les principales formations géologiques de l'Alberta, montrant que la géochimie des eaux souterraines a évolué avec l'âge croissant des formations. NA non évalué, canyon HSC Horseshoe, Gp. Groupe.