Les habitats terrestres et marins ont été considérés de loin comme les écosystèmes ayant la production primaire la plus élevée sur Terre. Les algues microscopiques des couches supérieures des océans et les plantes terrestres fixent le carbone atmosphérique (CO2) et produisent des matières végétales grâce à la photosynthèse. Étant donné que la lumière du soleil ne pénètre pas dans le sous-sol, il ne faut guère s’attendre à une telle production primaire.
Cependant, les analyses génétiques des micro-organismes dans les eaux souterraines ont indiqué que même ici, de nombreux micro-organismes sont capables de production primaire. En l’absence de lumière, ils doivent puiser leur énergie dans des composés inorganiques oxydants, comme dans le soufre réduit des roches environnantes. Cependant, le rôle des producteurs primaires dans le sous-sol n’avait jamais été confirmé auparavant.
L’eau souterraine est l’une de nos plus importantes sources d’eau potable. L’environnement des eaux souterraines des aquifères carbonatés, qui fait l’objet de l’étude, fournit à lui seul environ dix pour cent de l’eau potable mondiale. Dans cette optique, les chercheurs ont effectué des mesures de la fixation du carbone des micro-organismes microbiens dans un aquifère souterrain, de 5 à 90 mètres sous terre.
Taux de production primaire étonnamment élevés dans l’obscurité totale
« Les taux que nous avons mesurés étaient beaucoup plus élevés que prévu », déclare le premier auteur de l’étude, le Dr Will Overholt, chercheur postdoctoral à l’Université Friedrich Schiller d’Iéna. « Ils sont égaux aux taux de fixation du carbone mesurés dans les eaux de surface marines pauvres en nutriments et sont jusqu’à six fois supérieurs à ceux observés dans les zones inférieures de l’océan ouvert ensoleillé, où il y a juste assez de lumière pour la photosynthèse ».
Sur la base des taux de fixation du carbone mesurés, les chercheurs ont extrapolé prudemment la production primaire mondiale dans les eaux souterraines carbonatées à 110 millions de tonnes métriques de carbone par an. Collectivement, la productivité primaire nette d’environ 66 % des réservoirs d’eau souterraine de la planète totaliserait 260 millions de tonnes métriques de carbone par an, soit environ 0,5 % de celle des systèmes marins et 0,25 % des estimations de la production primaire nette mondiale.
« Cela peut sembler petit, mais ces mesures ne représentent que notre première estimation de ce que peut être la véritable valeur globale », déclare l’auteur principal, le professeur Kirsten Küsel de l’Université de Jena et iDiv. « Puisqu’il y a très peu d’énergie disponible dans ces habitats pauvres en nutriments et sombres en permanence, même un petit pourcentage de la production primaire mondiale est une surprise. »
Les chercheurs ont également cherché à identifier les micro-organismes responsables de la fixation du carbone et de la génération de nouvelle biomasse au sein de l’aquifère. Les analyses métagénomiques indiquent un micro-organisme très abondant qui n’est pas étroitement lié aux bactéries précédemment étudiées, dans un ordre non caractérisé de Nitrospiria. « En tant que nourriture, ces organismes sont censés former la base de la vie de l’ensemble de l’écosystème des eaux souterraines avec l’ensemble de ses milliers d’espèces microbiennes, similaire au rôle que jouent les algues dans les océans ou les plantes terrestres », explique Overholt.
Méthode unique pour mesurer la production primaire de micro-organismes dans les aquifères
La fixation du carbone peut être mesurée avec du dioxyde de carbone radiomarqué. « Dans les environnements de roche carbonatée, le CO2 dissous est abondant, ce qui peut rendre difficile l’observation directe des taux de fixation du carbone », explique le professeur Susan Trumbore de l’Institut Max Planck de biogéochimie à Iéna. L’équipe a donc utilisé une méthode spéciale pour tracer une petite quantité de CO2 marqué à l’aide de la spectrométrie de masse à accélérateur très sensible. « C’est excitant de voir à quelles nouvelles perspectives ces méthodes peuvent mener », dit-elle.
« Nos découvertes offrent de nouvelles informations sur le fonctionnement de ces écosystèmes souterrains, donnant des indices sur la manière de surveiller ou de remédier aux sources d’eau souterraine », déclare Kirsten Küsel.
La recherche a été publiée dans Géoscience de la nature.
Kirsten Küsel, Taux de fixation du carbone dans les eaux souterraines similaires à ceux des systèmes marins oligotrophes, Géoscience de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41561-022-00968-5. www.nature.com/articles/s41561-022-00968-5
Fourni par le Centre allemand de recherche intégrative sur la biodiversité (iDiv) Halle-Jena-Leipzig