Ces thématiques sur lesquelles j'ai acquis aujourd'hui certaines connaissances vont définir le cadre de mes recherches pour les années à venir.
Je souhaite développer 3 grands volets dans le cadre de l’étude sur les environnements miniers:
- Caractériser la diversité taxonomique et fonctionnelle en utilisant les nouvelles technologies de séquençages associées à des méthodes tels que la métagénomique ou la métatranscriptomique afin d’explorer la structure et la dynamique des communautés microbiennes (Bactéries, Archaea et Eucaryotes) et obtenir ainsi une vue d'ensemble de leurs potentiels métaboliques dans le but de mieux comprendre le fonctionnement de ces écosystèmes particuliers,
- Continuer l’étude des interactions plantes-microorganismes initiée lors de mon expatriation qui permettent d’aider à la mise en place de solutions pratiques dans le cas de la mise en place d’un couvert végétal,
- Poursuivre l’isolement de microorganismes afin de pouvoir les étudier en laboratoire ce qui permet d’avoir une meilleure connaissance de leurs réelles capacités métaboliques.
Caractérisation de la diversité taxonomique et fonctionnelle
Ces dernières années, les nouvelles technologies de séquençage ont fortement accélérées les recherches en biologie et microbiologie et ont permis la production de très grands volumes de séquences en diminuant fortement les prix, comparées aux méthodes de séquençage traditionnelles (Knief et al., 2014). Ces développements récents permettent maintenant de répondre à des questions qui n’étaient pas concevables il y a seulement quelques années en raison essentiellement des limitations techniques et financières comme par exemple : qu’elles sont les communautés microbiennes présentes, que font elles, comment arrivent t’elles à se développer dans ces environnements, comment évoluent t’elles en fonction des perturbations et des changements de leurs environnements, comment interagissent elles entre elles et avec leur environnement, comment peuvent elles affecter le développement des plantes (Knief et al., 2014)? Le recours aux disciplines « méta-omiques », permet en effet d’avoir une meilleure compréhension de l'écologie microbienne. La métagénomique est par exemple devenue une des disciplines scientifiques les plus actives. Cette approche permet désormais l’analyse de communautés microbiennes qui semblaient largement hors de portée il y a encore quelques années comme les organismes non cultivés et permet d'obtenir une vue d'ensemble du potentiel métabolique des communautés présentes. Des études comme la métatranscriptomique basées sur l'expression des gènes sont également très intéressantes pour apporter de nouvelles connaissances sur la dynamique fonctionnelle des communautés microbiennes, mieux identifier les facteurs environnements qui régulent leurs activités et mettre en exergue les fonctions phares essentielles pour le fonctionnement de la communauté (Gifford et al., 2011 ; Carvalhais et al., 2012).
Cependant, il faut malgré tout bien garder à l’esprit que, comme la plupart des techniques de biologie, ces technologies ne sont pas non plus exempts de biais. Concernant les études de diversité par les techniques de séquençage à haut débit (pyroséquençage ou technologie
56 Illumina, etc.), il est à noter par exemple la faible taille des amplicons générés pour l’instant ainsi que le taux important d’erreurs de séquençage, que l’utilisation de nouveaux algorithmes tente de corriger (Huse et al., 2010 ; Knief, 2014). Il reste également les biais inhérents à la biologie moléculaires comme ceux au niveau de l’extraction de l’ADN ou ceux générés lors de l’étape de PCR. L’utilisation des séquenceurs de 3ème générations permettront peut être de limiter ce dernier biais dans les prochaines années. Concernant la métagénomique par exemple, même un séquençage « en profondeur » d’un environnement ne permet d’accéder qu’à une petite fraction de la variabilité génétique réellement présente en identifiant principalement les membres les plus abondants (Gilbert and Dupont, 2011).
Je souhaite, dans la poursuite de mes travaux, continuer à m’investir dans l’étude des drainages miniers acides. Comme déjà présenté précédemment, les conditions de vie extrêmes de ces environnements (pH acides, concentrations élevés en métaux et métalloïdes toxiques qui diffèrent d’un site à un autre) et les communautés simplifiées qui les caractérisent permettent d’aborder un certain nombre de questions fondamentales et contribuent à mieux comprendre la structure des communautés microbiennes et leurs profils de diversité. Mais c’est surtout l’aspect appliqué qui m’intéresse en raison de l’implication de ces organismes dans les processus de génération et/ou de remédiation de ces DMA qui peuvent avoir des applications concrètes dans de nombreux pays du Sud, en accord avec les objectifs de l’IRD.
Une meilleure caractérisation de la diversité génétique mais aussi fonctionnelle de ces communautés microbiennes ainsi que l’étude de leurs interactions entre elles et avec leur environnement est en effet une étape essentielle à la compréhension du fonctionnement de ces écosystèmes pour pouvoir développer à terme des stratégies pour remédier à ces pollutions.
Pour ce faire, il est également indispensable de prendre en compte l’ensemble de la communauté microbienne comprenant les organismes procaryotes et eucaryotes car, jusqu’à présent, la majorité des études réalisées sur ces écosystèmes se sont focalisées sur les bactéries.
L’ancien site minier de Carnoulès, par ses caractéristiques comme les concentrations exceptionnelles en As ainsi que par la présence d’un gradient spatial de pollution résultant de processus naturels de remédiation demeurera un site d’étude important pour mes travaux, notamment dans le cadre de projets comme l’ANR ECO-TS IngECOST-DMA ou au travers de l’observatoire OSU OREME.
Les projets de recherche que je souhaite développer au cours des prochaines années concerneront surtout les pays du Sud avec par exemple le Maroc, en continuation avec les travaux lancés depuis 3 ans maintenant dans le cadre de mon expatriation et pays avec lequel je souhaite poursuivre les collaborations dans le futur. L’étude des DMA va se faire par exemple dans le cadre d’un projet débuté récemment concernant les drainages de mine non pérennes présents dans un nouveau chantier, la mine de Kettara au Maroc qui se fait en association avec l’équipe de recherche E2G (R. Hakkou) de la Faculté des Sciences et Techniques de Guéliz à Marrakech.
La mine de Kettara, située à environ 30 km au nord-est de Marrakech a été exploitée pour sa pyrrhotite de 1964 à 1981 et a produit 5.2 Mt de pyrrhotite concentré contenant une
57 moyenne de 29% en poids de sulfures ce qui a généré d’importants stériles miniers répartis, sans aucune protection, sur de très grande surfaces autour de la mine (Lghoul et al., 2014).
C’est l’une des mines qui pose le plus de problèmes autour de Marrakech en raison notamment de la présence de ces DMA qui se forment à chaque pluie importante et qui expose directement la population du village minier de Kettara avoisinant, qui comprends environ 2000 habitants. Le climat est semi aride avec une moyenne de 250 mm de pluies annuelles qui surviennent généralement sur de courtes périodes et avec une forte intensité.
Figure 10. Présentation de la mine de Kettara: (a) localisation, (b) effluent de DMA, and (c) minéraux secondaires, (d) vue panoramique. D’après Lghoul et al. 2014
Cette mine a été extensivement étudiée comme en atteste les nombreuses publications depuis quelques années (Hakkou et al., 2008a, 2008b, 2009 ; Lghoul et al., 2014 et références citées). Ces travaux ont été réalisés en grande partie dans le cadre d’une chaire de recherche IDRC maroco-canadienne, entre l’équipe de recherche E2G (R. Hakkou) de la Faculté des Sciences et Techniques de Marrakech et l’Institut de recherche sur les mines et l’environnement (UQAT) situé à Québec au Canada.
Cette étude microbiologique, se fait en partenariat avec l’équipe de recherche E2G à Marrakech dans le cadre du Master 2 de N. Mghazli qui vient de débuter (co-encadrement avec L. Sbabou du LMBM de Rabat) et qui a pour but d’identifier les communautés procaryotes (Bactéries et Archaea) présentes dans ces déchets miniers pour tenter d’identifier les communautés responsables de la génération de ces drainages miniers acides. Les prélèvements ont été réalisés sur 9 points répartis sur l’ensemble du site et une analyse par séquençage Illumina est en cours.
58 Un autre aspect de la mobilisation des métaux et métalloïdes concerne le cas particulier de l’As qui fait actuellement peser une lourde menace sur la santé de nombreuses personnes à travers le monde et ce, principalement dans les pays du Sud, où plusieurs millions de personnes consomment des eaux de boisson contaminées par ce toxique (Nordstrom, 2000 ; Jiang et al., 2013). Comme nous l’avons vu, les microorganismes sont fortement impliqués dans les processus de transfert de ce polluant dans l’environnement. Des travaux sur l’étude des transferts de l’As (d’origine minière ou géogénique, présent naturellement dans la roche) vers le milieu aquatique et les impacts sanitaires associés sont traités dans le cadre du LMI Picass-Eau (« Prédire l’Impact du Climat et des usAges sur les reSSources en Eau en Afrique SUbsaharienne"). Ce projet prévoit notamment d’aborder la question de la mobilisation de l’arsenic vers la ressource en eau sur le bassin du Nakambé au Burkina Faso. Il s’agit de déterminer les facteurs qui influencent la variabilité spatiale de l’arsenic (facteurs géologiques, hydrogéologiques, physico-chimiques et microbiologiques) dans les aquifères de la région de Ouahigouya dans le Nord du Burkina Faso et d’étudier l’implication des microorganismes dans ces systèmes et l’impact sur la santé des populations exposés.
Ces travaux de recherche seront développés dans le cadre de l’ANR BALWASA (Basement aquifers for a local water service in Africa), si elle est acceptée. Cet ANR a été déposé cette année par P. Genthon, un hydrogéologue de HydroSciences. Ces travaux se feront plus spécifiquement dans le cadre du Work Package n° 3 intitulé « Arsenic contamination and health near Ouahigouya » en collaboration notamment avec F. Lalanne de l’Institut International d’Ingénierie de l’Eau et de l’Environnement et de P. Genthon.
Etude des interactions plantes–microorganismes dans un contexte de phytoremediation et de réhabilitation des environnements miniers au Maroc
Le travail initié dans le cadre du projet Ec2co va se poursuivre dans les prochains mois avec un volet important concernant l’analyse métagénomique des populations bactériennes présentes dans ces environnements et se fera dans le cadre de la thèse de Ikram Dahmani en collaboration avec Isabelle Navarro (AMPERE, Lyon-LSTM, Montpellier). Cette nouvelle approche permettra de mieux comprendre comment les communautés bactériennes s’adaptent à leur environnement et interagissent avec lui (identification des gènes de résistance ou d’oxydation à l’arsenic, etc.) et comment elles peuvent affecter le développement des plantes (fixation d’azote par exemple, etc.).
D’autres études sur la revégétalisation pourront également se mettre en place, par exemple sur la mine de Kettara, dans le cadre d’un projet de recouvrement de ces déchets utilisant des déchets de mines de phosphates, basiques, qui est à l’étude actuellement (Lghoul et al. 2014) afin de limiter les infiltrations d’eau et la formation de DMA. Si ce revêtement est mis en place sur l’ensemble du site, ce qui est prévu dans le cadre de la chaire, une couverture végétale devra être apportée sur le long terme. Des études de diversité et de métagénomiques permettraient d’identifier les communautés de microorganismes présentes et de mieux comprendre leurs interactions avec les plantes. Ce travail est à combiner également avec l’isolement de souches bactériennes pour étudier leurs activités bénéfiques sur les plantes naturellement présentes (solubilisation du phosphate, production de sidérophores ou d’auxine,
59 fixation d’N, etc.) afin de pouvoir proposer à terme une collection de plantes et de microorganismes résistants à ces polluants et susceptibles d’être des outils efficaces pour établir un programme de phytoremédiation.
Isolement de microorganismes et étude en laboratoire de leurs capacités métaboliques Bien que les méthodes moléculaires apportent des informations indispensables du fait qu’un faible pourcentage de microorganismes de l’environnement peuvent actuellement être cultivés en laboratoire, les méthodes culturales restent indispensables pour une meilleure connaissance des organismes et de leurs interactions réelles avec l’environnement en utilisant des études physiologiques.
Des études d’isolement réalisées à Carnoulès sur les sédiments du Reigous (Delavat et al., 2012), ont par exemple souligné l’importance du maintient des méthodes culturales pour l’identification précise et la compréhension du rôle fonctionnel des microorganismes dans leurs environnements. Les études réalisées sur les souches de Thiomonas et d’Aciditiobacillus ferrooxidans ont également bien montré l’intérêt de ces travaux pour la compréhension de leur rôle réel dans l’environnement et le système de remédiation présent à Carnoulès. De plus, les méthodes culturales permettent de contourner certains biais inhérents aux approches moléculaires comme la résistance de certaines bactéries à la lyse cellulaire ou bien la difficulté à détecter les microorganismes appartenant à la biosphère rare.
Dans le cadre d’une collaboration avec le laboratoire GMGM de Starsboug (P. Bertin), un projet Ec2co devrait être soumis cette année qui va spécifiquement s’intéresser, entre autre, à l’étude des microorganismes difficiles à cultiver. Ces travaux vont se focaliser plus spécifiquement sur des organismes comme Gallionella ferruginea que nous n’avons pas pu isoler pour l’instant malgré de nombreux essais ou encore pour tenter de cultiver le pseudogénome CARN1 qui semble avoir un rôle important au sein de l’écosystème et qui est retrouvé en assez grand nombre dans l’eau et les sédiments et détecté depuis l’utilisation des méthodes de séquençage à haut débit. Ce projet à pour but de trier par cytométrie les microorganismes selon des critères taxonomiques et/ou fonctionnels avant d’en séquencer le génome afin d’étudier le métabolisme de ces microorganismes ; d’isoler par des approches de culture in situ des populations non cultivées et enfin de déterminer la dynamique et l'activité des populations microbiennes en fonction des variations contrôlées des paramètres physico-chimiques.
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