Avec l’aide d’une équipe expérimentée de plongée sous-marine, les chercheurs de l’Université Northwestern ont construit la carte la plus complète à ce jour des communautés microbiennes vivant dans les labyrinthes submergés sous la péninsule du Yucatán au Mexique.
Bien que des chercheurs précédents aient collecté des échantillons d’eau et de microbes à l’entrée des grottes et dans des dolines facilement accessibles, l’équipe dirigée par Northwestern a atteint les passages profonds et sombres des eaux non éclairées pour mieux comprendre ce qui peut survivre à l’intérieur de ce royaume souterrain unique.
Après avoir analysé les échantillons, les chercheurs ont constaté un système riche en diversité, organisé en modèles distincts. Semblables à une cantine stéréotypée de lycée, les communautés microbiennes au sein du système de grottes ont tendance à se regrouper en cliques bien définies. Mais une famille de bactéries (Comamonadaceae) a agi comme un papillon social populaire, apparaissant sur près des deux tiers des « tables de cafétéria ». Les résultats suggèrent que les Comamonadaceae sont le pilier écologique de la communauté au sens large.
Le la recherche a été publiée dans la revue Microbiologie appliquée et environnementale.
« Il s’agit certainement de l’enquête microbienne la plus vaste dans cette partie du monde », a déclaré Magdalena R. Osburn de Northwestern, qui a dirigé l’étude. « Il s’agit d’échantillons incroyablement spéciaux de rivières souterraines qui sont particulièrement difficiles à obtenir. À partir de ces échantillons, nous avons pu séquencer les gènes des populations microbiennes qui vivent dans ces sites. Ce système fluvial souterrain fournit de l’eau potable à des millions de personnes. Ainsi, quoi qu’il arrive aux communautés microbiennes, cela peut être ressenti par les humains. »
Expert en géobiologie, Osburn est professeur agrégé de sciences de la Terre et des planètes au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern.
Matthew Selensky, ancien élève du Northwestern, a dirigé ce projet dans le cadre de sa thèse alors qu’il était étudiant diplômé au laboratoire d’Osburn. La co-auteure de l’étude, Patricia Beddows, professeur de sciences de la Terre et des planètes à Weinberg, a dirigé l’expédition de plongée souterraine et a mis à profit ses décennies d’expérience de travail dans ces grottes. Parmi les autres co-auteurs de Northwestern figurent Andrew Jacobson, professeur de sciences de la Terre et des planètes, et Karyn DeFranco, ancienne étudiante diplômée, qui s’est concentrée sur la géochimie.
Situé principalement dans le sud-est du Mexique, le vaste aquifère carbonaté du Yucatán est marqué par de nombreux gouffres menant à un réseau complexe de grottes sous-marines. Hébergeant un microbiome diversifié mais peu étudié, le réseau sous-marin contient des zones d’eau douce, d’eau de mer et un mélange des deux. Le système comprend également une variété de zones, depuis des fosses profondes et d’un noir absolu sans ouverture directe vers la surface jusqu’à des gouffres moins profonds scintillant de lumière du soleil.
« La plate-forme du Yucatan est essentiellement un fromage suisse de conduits souterrains », a déclaré Osburn. « Nous étions curieux de savoir quels microbes se trouvent ensemble lorsque nous examinons l’ensemble du système et quels microbes se trouvent dans un » quartier « . »
Pour explorer cette question, une équipe de plongeurs spéléologiques a collecté 78 échantillons d’eau provenant de 12 sites individuels du système de grottes près de la côte caraïbe de Quintana Roo, au Mexique. La collecte d’échantillons s’étendait du système Xunaan Ha à l’extrémité nord aux parties intérieures et côtières du système Sac Actun (y compris une fosse distinctive de 60 mètres de profondeur) jusqu’au système Ox Bel Ha au sud.
De retour dans un atelier de plongée transformé en laboratoire scientifique, les chercheurs ont filtré les cellules de chaque échantillon et analysé leur chimie. Ensuite, de retour à Northwestern, ils ont identifié les communautés microbiennes en séquençant leur ADN. Selensky a ensuite développé un nouveau programme informatique pour effectuer une analyse de réseau sur l’ensemble de données.
Les réseaux résultants ont montré quelles espèces ont tendance à vivre ensemble. Pour chaque site, les chercheurs ont pris en compte le contexte environnemental de chaque communauté microbienne, notamment le type de grotte (fosse ou conduit), le système de grottes, la distance de la côte caraïbe, la géochimie et la position dans la colonne d’eau.
Bien que l’eau du golfe du Mexique se jette dans l’aquifère du Yucatán, le microbiome de l’aquifère diffère considérablement de celui de la mer voisine, ont découvert les chercheurs. Les microbiomes varient également dans tout le système de grottes, d’une grotte à l’autre et des eaux peu profondes aux eaux profondes.
« Les communautés microbiennes forment des niches distinctes », a déclaré Osburn. « Il existe différents groupes de personnages qui semblent se déplacer, selon l’endroit où vous regardez. Mais lorsque vous examinez l’ensemble des données, vous découvrez un ensemble central d’organismes qui semblent jouer un rôle clé dans chaque écosystème. »
Osburn et son équipe ont découvert que les Comamonadaceae, une famille de bactéries que l’on trouve généralement dans les systèmes d’eau souterraine, vivaient dans plusieurs niches. Ils ont également découvert qu’un gouffre profond, semblable à une fosse, avec une ouverture en surface (permettant à la lumière du soleil de pénétrer) abritait la plupart des communautés microbiennes, séparées en couches de niches distinctes dans toute la colonne d’eau.
« Il semble que les Comamonadaceae jouent des rôles légèrement différents dans différentes parties de l’aquifère, mais elles jouent toujours un rôle majeur », a déclaré Osburn. « Selon la région, il a un partenaire différent. Les Comamonadaceae et ses partenaires ont probablement un métabolisme mutualiste, partageant peut-être de la nourriture. »
Plus d’information:
Magdalena R. Osburn et al, Biogéographie microbienne de l’aquifère carbonaté de l’est du Yucatán, Microbiologie appliquée et environnementale (2023). DOI : 10.1128/aem.01682-23