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Carottes de glace, CO2 et micro-organismes : pourquoi et comment améliorer l'interprétation des données ?

Référence de l'article : DS7213
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écrit par Prof. Dr. Paul BERTH,Professeur de Biologie,(23 Novembre 2018)

Les microbulles de gaz emprisonnées dans les carottes de glace sont fréquemment utilisées pour estimer le taux de CO2 de l’atmosphère du passé. Il s’agit de méthodes de mesure indirectes. Par exemple, la carotte de glace EPICA Dome C en Antarctique nous suggère que le CO2 de l’atmosphère a varié entre 180 et 300 ppmv pendant les derniers 650 000 ans (Brook 2005). Cependant, le taux de CO2 observé dans ces carottes de glace représente-il vraiment l’atmosphère du passé? Nous allons montrer ici qu’un paramètre est souvent négligé par les glaciologues, et que ce paramètre pourrait avoir un effet considérable sur le résultat des analyses : il s’agit de la présence de micro-organismes dans la glace et les microbulles.

1. Des micro-organismes sont présents dans la neige et la glace

Commençons par rappeler que les micro-organismes (bactéries, archées et micro-eucaryotes) sont ubiquistes et bien présents dans la neige et la glace, aussi bien en Arctique qu’en Antarctique, et ce de la surface jusqu’à de très grandes profondeurs (Miteva 2008). La littérature scientifique est très abondante à ce sujet (e.g., Skidmore et al., 2005; Nkem et al., 2006; Miteva et al., 2009; Zhang et al., 2009; Branda et al., 2010; Anesio and Laybourn-Parry, 2012; Price and Bay, 2012; Møller et al., 2013; Stibal et al., 2015; Zawierucha et al., 2015; Kaczmarek et al., 2016; Chen et al. 2016).

Les chercheurs Priscu et Christner (2004) ont calculé que le nombre total de bactéries pour les calottes glaciaires en Antarctique et au Groenland, atteint 9.61 x 1025 cellules, ce qui correspondrait à un stock de carbone de 2.65 x 10–3 Gt (1 Gt = 109 tonnes). Ces micro-organismes sont apportés par les vents, se déposent sur la neige et finissent par être emprisonnés dans la glace lors de la compaction de la neige. Ils peuvent donc se retrouver dans les microbulles analysées par les glaciologues. Notons qu’il n’y a pas que des micro-organismes qui sont emprisonnés : nous trouvons également des virus, des pollens, et de nombreuses particules minérales et organiques (fragments d’insectes, de plantes, etc.). La glace est donc loin d’être pure, ce qui explique d’ailleurs ses nombreuses couleurs.

Lorsque la glace est très claire, c’est qu’elle contient peu de particules minérales. La densité des micro-organismes est alors faible, de l’ordre de 102 à 104 mL–1  (i.e., 100 à 10 000 cellules par millilitre ou centimètre cube de glace). Lorsque les particules minérales sont plus nombreuses, la quantité de micro-organismes est plus élevée et peut atteindre 109mL–1 (Tung et al. 2006). Il existe donc clairement un lien entre quantité de particules minérales et quantité de micro-organismes (Miteva 2008). Ceci n’est pas étonnant,  car les particules minérales représentent  des sources de nutriments, particulièrement pour les micro-organismes autotrophes, c’est-à-dire ceux capables de fixer le CO2 atmosphérique.

2. Les micro-organismes de la glace sont fort diversifiés, ainsi que leur métabolisme

Une étude récente, menée en Arctique et en Antarctique (Knowlton et al. 2013), nous montre que de nombreux groupes bactériens sont présents dans la neige et la glace, et ce jusqu’à de grandes profondeurs dans la glace. Notons par exemple la présence systématique de bactéries appartenant aux groupes Firmicutes et des Cyanobactéries.

La présence de Cyanobactéries est très importante à souligner : en effet, il s’agit de micro-organismes autotrophes, capables de fixer le CO2 gazeux pour le transformer en matière organique. En faisant cela, elles produisent de l’O2. Par leur activité, ces Cyanobactéries peuvent donc modifier le taux de CO2 et d’O2 des microbulles de gaz emprisonnées dans les glaces. Ceci peut se faire lorsque la bulle de gaz vient de se fermer et que suffisamment de lumière pénètre encore dans la glace.

Quant aux Firmicutes, ces bactéries n’ont pas besoin de lumière et peuvent également fixer du CO2 (Vos et al. 2009). Les Firmicutes réalisent généralement de la fermentation de matière organique en anaérobiose (comme le genre Clostridium : de petites molécules organiques sont alors métabolisées et génèrent CO2 et H2). Les Firmicutes peuvent également présenter un métabolisme hétérotrophe classique, en générant du CO2 tout en consommant de l’O2 et de la matière organique.

Mais notons que ces deux métabolismes, fermentation et hétérotrophie classique, requièrent de la matière organique et que celle-ci est peu abondante dans la neige et la glace. En effet, la glace est un milieu pauvre, que l’on caractérise d’oligotrophe (Maccario et al. 2015). Heureusement, les Firmicutes peuvent également vivre en complète absence de matière organique et de lumière, elles sont alors qualifiées de chimio-lithotrophes et réalisent dans ce cas la fixation du CO2 par la voie réductive de l’acétyl-CoA en employant un peu d’hydrogène (Erb 2011). Ce type de Firmicutes, fixant du CO2, est très abondant sur Terre, notamment dans les zones de subsurface (zone de la biosphère comprise entre 10 cm et 4 km de profondeur) (Magnabosco et al. 2016). Il n’y a donc pas que les Cyanobactéries qui sont capables d’abaisser le taux de CO2 des microbulles, il faut donc ajouter les Firmicutes chimio-lithotrophes.

En plus des Cyanobactéries et des Firmicutes, notons la présence de Protéobactéries alpha, beta et gamma, trois groupes bactériens ubiquistes présentant des métabolismes variés et de nombreux genres chimio-lithotrophes capables de fixer du CO2 en absence de lumière (Knowlton et al. 2013). Ces bactéries sont détectées à toutes les profondeurs dans la glace. En plus de ces bactéries, des champignons microscopiques (Fungi) sont également présents.

3. Les micro-organismes de la glace sont actifs, même à très basse température

Il est connu depuis longtemps que de nombreux micro-organismes restent actifs en-dessous de 0°C. Par exemple, Planococcus halocryophilus croît et se développe parfaitement à la température de –15°C (Mykytczuk et al. 2013). Le record d’activité microbienne est assez bas et atteint –39°C (Panikov et al. 2006). Ces micro-organismes se développant dans le froid sont qualifiés de psychrophiles par les microbiologistes. Des psychrophiles sont présents dans tous les groupes de micro-organismes.

Une synthèse de l’activité métabolique des psychrophiles à très basse température a été publiée récemment (Sengupta et Chattopadhyay, 2013). Les auteurs citent par exemple des expériences avec des molécules organiques marquées avec du 13C et placées dans de la glace qui montrent que ces molécules se retrouvent dans les bactéries vivant dans la glace. L’activité métabolique des psychrophiles à basse température, bien que faible, est indiscutable et a été maintes fois démontrée.

Voici brièvement les adaptations des psychrophiles. Il y a trois stratégies de résistance :

(1) la fluidité de la membrane cytoplasmique est augmentée (synthèse d’acides gras insaturés par expression de désaturases);

(2) des molécules antigel sont accumulées dans le cytoplasme (solutés osmocompatibles, protéines anti-gel, protéines de liaison à la glace);

(3) l’efficacité catalytique des protéines est maintenue, notamment par réduction des interactions hydrophobes internes (Maccario et al. 2015).

Les psychrophiles ont également des adaptations aux environnements hypersalés. En effet, lorsque de l’eau congèle les sels sont exclus de la glace et se retrouvent dans des poches ou des films d’eau (dans les microbulles) où l’eau reste liquide (Maccario et al. 2015). Les poches d’eau hypersalée (“brine” en anglais) présentent des diamètres jusqu’à quelques centaines de micromètres.

Selon le type d’eau qui a congelé, eau douce ou eau de mer, la salinité de ces zones d’eau liquide dans la glace peut varier de 30 à 230 ppt (part per thousand, ou ‰) (Maccario et al. 2015). Il n’est donc pas étonnant de constater que les micro-organismes de la neige et de la glace possèdent également diverses adaptations à la vie sous une pression osmotique élevée.

Par exemple, ces organismes synthétisent et accumulent des composés osmocompatibles comme la glycine, la bétaine, la choline, la sarcosine, ou le glutamate (Simon et al 2009). Les micro-organismes ont également une grande proportion de protéines membranaires acides, ce qui évite leur précipitation en présence de grandes concentrations en sels (Saum et al. 2013).
Nous voyons donc que de nombreux micro-organismes sont actifs et très bien adaptés à la vie à très basse température.

4. Les micro-organismes de la glace peuvent modifier l’atmosphère des microbulles

Ceci a été démontré in situ, en 2017 par l’équipe de Redeker (Redeker et al. 2017), à la fois pour l’Arctique et pour l’Antarctique. Cette étude ne concernait pas le taux de CO2 , mais celui d’autres gaz pouvant être enfermés dans les bulles (les halogénures de méthyle). L’étude démontre clairement que des micro-organismes sont actifs in situ et peuvent modifier la composition des microbulles de gaz dans la neige et la glace. Si c’est le cas pour les micro-organismes capables de traiter les halogénures de méthyle, pourquoi ne serait-ce pas le cas pour le CO2 des microbulles étant donné la présence de Cyanobactéries, ainsi que d’autres bactéries chimio-lithotrophes?

5. Les études les plus citées concernant le taux de CO2 des microbulles dans la glace ne prennent jamais en considération les micro-organismes

Par exemple, les études suivantes, toutes très célèbres et focalisées sur les microbulles des carottes de glace, ne comportent pas le mot “Bacteria” dans le texte :

– Neftel et al. (1988) Nature 331:609–611.
– Fischer (1999) Science 283:1712–1714.
– Petit et al. (1999) Nature 399:429–436.
– Monnin et al. (2001) Science 291:112–114.
– Brook (2005) Science 310:1285
– Loulergue et al. (2007) Clim Past 3:527–540.
– Shakun et al. (2012) Nature 484:49–55.

En d’autres termes, ces études ne considèrent pas la possibilité que les taux de CO2 des microbulles puissent être affectés par les bactéries vivant dans la glace. Ceci pourrait être expliqué par le fait que la microbiologie des glaces est un domaine de recherche récent et que les glaciologues ne collaborent pas assez avec les microbiologistes.

6. En plus des micro-organismes, l’atmosphère des microbulles peut également être affectée par d’autres phénomènes

De nombreux problèmes peuvent survenir lors de la mesure des gaz emprisonnés dans les microbulles de la glace. Ces problèmes sont traités par Jaworowski (2007). Voir aussi ici. Les carottes groenlandaises sont par exemple impropres à la mesure des teneurs en CO2 atmosphérique lors des transitions climatiques (Delmas 1993). En effet, des modifications post-dépôt peuvent affecter la composition de la glace et de ses bulles d’air : par exemple, les carbonates contenus dans les poussières peuvent produire du CO2 en réagissant avec des espèces acides de l’atmosphère (H2SO4, HNO3).

Ce CO2 produit (cf. l’équation générale ci-dessous) n’était donc pas présent à l’origine dans la microbulle et les résultats sont faussés :
2H+ + CaCO3   =  H2O + CO2 + Ca2+

Des réactions avec des composés organiques peuvent aussi entrer en jeu. L’Antarctique semble moins affecté par ces modifications post-dépôt (Monnin et al. 2001), aussi ce sont essentiellement les carottes antarctiques qui sont utilisées pour suivre l’évolution du CO2 atmosphérique lors des glaciations et déglaciations (outre le fait que les carottes groenlandaises ne fournissent pas d’enregistrements antérieurs à 120 000 ans du fait d’un fort taux d’accumulation).

7. Conclusions

– De nombreux micro-organismes (de 102 à 109 bactéries par cm3) sont présents dans les carottes de glace utilisées par les glaciologues pour estimer le taux de CO2 de l’atmosphère du passé, mais les glaciologues n’en tiennent jamais compte. Les glaciologues considèrent que la glace est stérile;

– Les micro-organismes présents dans la glace sont cependant actifs et bien adaptés aux très basses températures. Ils se développent dans des poches et des films d’eau liquide hypersalée, où la température peut descendre plus bas que –20°C et restent même actifs jusque –39°C;

– Les micro-organismes de la glace sont capables de modifier l’atmosphère des microbulles emprisonnées. Ceci a été clairement démontré pour certains gaz (halogénures de méthyle);

– Les micro-organismes de la glace sont surtout représentés par des Cyanobactéries et des Firmicutes qui possédent tout l’arsenal génétique permettant de faire chuter le taux de CO2 des microbulles. Ces micro-organismes y ont tout intérêt, car c’est quasi la seule source de carbone disponible dans ce milieu fermé fortement oligotrophe. Cette fixation de CO2 peut se dérouler en l’absence de lumière pour les bactéries chimio-lithotrophes. En d’autres termes, des micro-organismes ont pu faire baisser le taux de CO2 des microbulles emprisonnées dans la glace, et ce dès l’instant de leur formation;

– Les taux de CO2 du passé renseignés par les carottes de glace sont donc potentiellement biaisés et pourraient même être assez loin de la réalité. Nous pouvons en conclure que les données de CO2 atmosphérique fournies par les carottes de glace doivent être interprétées avec beaucoup de précaution ;

– Il est urgent de réaliser des études de terrain où des microbulles sont étudiées dès leur formation, et d’analyser systématiquement leur contenu microbien. Le couplage de la microbiologie de la glace environnante et des données atmosphériques locales (CO2 et température) devrait en effet être mieux contraint.

8. Références

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Texte reproduit avec l'autorisation du Comité éditorial de S.C.E. :
http://www.science-climat-energie.be/2018/11/22/carottes-de-glace-co2-et-micro-organismes/#more-3866

(Mis en ligne le 23 Novembre 2018)