Cycles biogéochimiques du Fer et du Soufre dans les systèmes hydrothermaux en contexte sédimentaire du Bassin de Guaymas : traçages isotopiques et interactions micro-organismes/minéraux

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systèmes hydrothermaux en contexte sédimentaire du Bassin de Guaymas : traçages isotopiques et interactions

micro-organismes/minéraux

Nolwenn Callac

To cite this version:

Nolwenn Callac. Cycles biogéochimiques du Fer et du Soufre dans les systèmes hydrothermaux en contexte sédimentaire du Bassin de Guaymas : traçages isotopiques et interactions micro- organismes/minéraux. Sciences de la Terre. Université de Bretagne occidentale - Brest, 2013. Français.

�NNT : 2013BRES0076�. �tel-01630578�

THÈSE / UNIVERSITÉ DE BRETAGNE OCCIDENTALE

sous le sceau de l’Université européenne de Bretagne pour obtenir le titre de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE BRETAGNE CCIDENTALE

Mention : Microbiologie École Doctorale des Sciences de la Mer

présentée par

Nolwenn Callac

Préparée à l'Unité Mixte de Recherche ^{(UMR 6197} ) Laboratoire de Microbiologie des Environnements Extrêmes (LMEE)

Cycles biogéochimiques du Fer et du Soufre dans les systèmes

hydrothermaux en contexte

sédimentaire du Bassin de Guaymas : traçages isotopiques et interactions

micro-organismes/minéraux

Thèse soutenue le 9 juillet 2013 devant le jury composé de : Bénédicte Ménez (Rapporteur)

Professeur, Université Paris Diderot, IPGP Nathalie Pradel (Rapporteur)

Chargée de recherche, IRD Marseille Christian Mustin (Examinateur) Directeur de recherche, CNRS Nancy Mohamed Jebbar (Examinateur)

Professeur, Université de Bretagne Occidentale, Brest

Anne Godfroy (Directeur de thèse)

Cadre de recherche, Ifremer Brest

Remerciements  

Cette  thèse  a  été  réalisée  au  Laboratoire  de  Microbiologie  des  Environnements  Extrêmes  (LMEE)  sous  l’encadrement d’Anne Godfroy  et le co‐encadrement  d’Olivier Rouxel (Laboratoire Géochimie et Métallogénie). 

Ce  travail  a  bénéficié  du  soutien  financier  du  GIS  Europôle  Mer.  L’UEB,  l’UBO  et  l’Ifremer  ont  également  participés à ce projet. 

Je  remercie  tout  d’abord  les  membres  du  jury qui  ont  accepté  de  lire  et  d’évaluer  ce  travail  de  thèse ;    les  rapporteurs  Nathalie  Pradel  et  Bénédicte  Ménez  ainsi  que  les  examinateurs  Christian  Mustin  et  Mohamed  jebbar.   

Je   remercie   également   les   membres   de   mon   comité   de   thèse   :   Bernard   Ollivier,   Christian   Mustin,   Laurent   Toffin   et   Yves   Fouquet   pour   leur   aide   et   conseils.  

Je   tiens   à   exprimer   toute   ma   reconnaissance   à   mes   deux   directeurs   de   thèse   Anne   Godfroy   et   Olivier   Rouxel   qui   m’ont   encadrée   et   guidée   pendant   ces   années.   Un   grand   merci   de   m’avoir   fait   confiance   pour   mener   ce   travail.  

Je   tiens   à   vous   remercier   pour   votre   soutien,   votre   écoute,   vos   conseils   et   de   m’avoir   toujours   encouragée.   Merci   d’avoir   partagé   avec   moi   vos   connaissances,   entre   autre,   de   l’écosystème   hydrothermal.   Encore   merci   de   m’avoir   permis   de   participer   à   ma   première   campagne   océanographique,   à   de   nombreux   congrès   et   d’aller   réaliser   des   expériences   au   MIT   à   Boston.  

Enfin,   merci   d’avoir   relu   et   corrigé   ce   manuscrit.  

Anne,   merci   de   m’avoir   tout   appris   du   fonctionnement   des   bioréacteurs   et   pour   m’avoir   fait   confiance   pour   lancer  toutes  ces  manips.  Vraiment  merci  pour  ta disponibilité,  ta  gentillesse,  ton  soutien  de  tout  les  jours  et  bien plus !! 

Olivier,  merci de  m’avoir  fait  découvrir  le monde de  la  géochimie  et  de l’isotopie et de  m’avoir  tout  appris du  travail  en  salle  blanche  à  l’analyse  des  données.  Merci  pour  ton  soutien,  ta  disponibilité  et  ta  patience  et  de  m’avoir permis d’aller au MIT.  

Je  remercie  Céline  Rommevaux‐Jestin  de  m’avoir  impliquée  dans  ses  travaux  de  colonisation  in situ  et d’avoir  partagé   avec   moi   ses   connaissances   en   bio ‐ altération   des   verres   basaltiques.   Merci   pour   ce   premier   leg   de   BIG   :   merci   pour   ton   soutien,   ton   aide   lors   des   échantillonnages   et   les   bons   moments   passés   à   bord   ou   ici   au   labo.  

Je   tiens   à   remercier   Shuhei   Ono   de   m’avoir   accueilli   pendant   un   mois   dans   son   laboratoire   dans   le   département   EAPS   du   MIT   pour   réaliser   les   analyses   des   isotopes   multiples   du   soufre,   pour   sa   gentillesse   et   sa   bienveillance   quant   au   déroulement   de   mes   manip   et   de   mon   séjour.  

Mes   remerciements   vont   aussi   à   Harry   Oduro   et   à   William   Olszewski   pour   leur   gentillesse   leur   aide   pour   les   analyses.  

Je   tiens   à   remercier   Daniel   Prieur   pour   m’avoir   fait   découvrir   la   microbiologie,   en   particulier   les   extremophiles   et   pour   m’avoir   accueillie   au   sein   du   LMEE   depuis   mon   stage   de   Master   1.   Merci   à   Karine   Alain   de   m’avoir   tout   appris   des   cultures   en   conditions   anaérobie   et   de   la   biologie   moléculaire   pendant   mes   stages   de   Master   1   et   2,   merci pour tous ces précieux conseils. Je remercie aussi Mohamed Jebbar pour ses conseils et son soutien. 

Je  remercie  tous  les membres  du  Laboratoire  de Microbiologie  des  Environnements Extrêmes  pour  leur  accueil  et gentillesse. 

Je  tiens  à remercier  en particulier  Christine Lamy  pour  sa  bonne  humeur  et  son  efficacité merci  d’avoir  résolu  bon nombre  de mes « petits » problèmes (carte  d’accès,  logement  à l’étranger, impression du manuscrit entre  autre !).  

Merci à Patricia et à Josiane pour leur gentillesse et leur soutien.  

Je  n’oublie pas non  plus  Jean‐Louis  Birrien, Marc Le Romancer,  Frédéric Duthoit pour  m’avoir toujours  soutenu  depuis le Master 1. 

Je tiens  aussi à remercier Cyrielle pour toutes nos discussions, tous les bons moments passés ensemble; Marine  pour sa bonne humeur, sa gentillesse et les loisirs créatifs !  et Aline  pour nos  « papotages » et son soutien. Un  grand   merci   à   Cyrielle,   Marine,   Aline   et   Françoise   pour   nos   réunions   au   sommet   !!  

Merci   aussi   à   Valérie   et   Marie ‐ Anne   ainsi   qu’aux   répliquants   :   Gaëlle,   Audrey,   Gishlaine,   Didier,   Christophe,   alias   monsieur   Bonjour   et   Sébastien   pour   toutes   nos   discussions   scientifiques   ou   non   et   pour   ses   coups   de   main  

«   Inskape   »!!!  

Je   tiens   à   remercier   tout   particulièrement   Françoise   Lesongeur   :   un   immense   merci   pour   tout.   Merci   pour   ton   soutien   quotidien,   ta   gentillesse,   ta   bienveillance,   ton   écoute   et   ton   aide   dans   les   manipulations.   Merci   d’avoir   relu   le   manuscrit   et   corrigé   l’orthographe.   Merci   aussi   d’avoir   supporté   mes   «   petites   manies   »   de   faire   des   stocks   de   tout   et   partout   (thés,   gâteaux,…   au   bureau   et   de   tubes,   bouchons   stériles   …   au   labo)   pour   les   «   aux   cas   où   ».   Merci   pour   tous   les   bons   moments   au   labo,   au   bureau   et   à   bord.  

Merci aux doctorants du labo, pour leur soutien et  bonne humeur :  je  vous  souhaite bon courage pour la suite. 

Un merci particulier à Sandrine et à Gaëlle: bonne continuation. 

Un merci aussi à tous  ceux  de l’IUEM pour  leur  accueil  et nos  discussions  en  tout  genre  lors de  mes  visites. Un  merci  particulier  à  Pôpô  et  Maria  pour  leur  amitié  et  soutien  depuis  le  Master  1.  Je  tiens  aussi  à  remercier  Pauline, Grégoire et Mickael pour leur aide lors des « manips sous pressions ».  

J’en  profite  aussi  pour  remercier  ma  stagiaire,  Sonia  Laigle,  master  1  de  chimie  que  j’ai  encadré  lors  des  fermentations ciblant la ferri‐réduction. 

Je remercie aussi tous les membres du Pôle Spectrométrie Océan et de Géosciences Marine  pour leur sympathie,  conseil   et   soutien.   

Aussi   je   tiens   à   remercier   Manu   et   Yohan   pour   leur   soutien   et   leur   bonne   humeur   lors   des   mes   passages   en   salle   blanche   et   au   Neptune.   Merci   à   Céline   Liourzou   et   Claire   Bassoulet   pour   les   analyses   multi ‐ élémentaires.  

Merci   à   Sandrine   Chéron   et   Joel   Etoubleau   d’avoir   pris   le   temps   de   m’expliquer   et   de   me   montrer   les   analyses   des   spectres   XRF   et   XRD.   Merci   aussi   à   Yves   Fouquet   pour   ses   discussions   scientifiques.  

Merci   à   tous   ceux   que   j’ai   côtoyé   lors   de   mes   passages   en   salle   blanche   :   Nima,   Bleuenn,   les   Yohan(s)   et   Stefan.   

Nima,   merci   à   pour   ta   bonne   humeur,   ta   gentillesse,   pour   nos   débuts   en   salle   blanche   et   pour   l’EGU   à   Vienne   !   Bonne   continuation   !!   

Merci   à   Bleuenn   pour   ta   joie   de   vivre,   ta   gentillesse   et   nos   discussions.   Bon   courage   pour   la   suite.   Merci   à   Stefan   pour   nos   discussions   sur   la   Terre   ancienne,   l’apparition   de   l’oxygène   sur   Terre   et   l’évolution   des   métabolismes   et   autres.  

Je  tiens aussi  à remercier les membres  du Laboratoire Environnement Profond pour  leur gentillesse et soutien :  Karine  Olu,  Jozée  Sarrazin,  Pierre‐Marie  Sarradin,  les  Phillipe(s) Rodier  et  Noel,  Jean‐Claude  Caprais,  Olivier  Mouchel, Cécile, Julie et Ronan.  

Merci à Pierre‐Marie pour ses conseils et les discussions « chimie des fluides et Pepito ». 

Merci à tous les participants de la campagne BIG (scientifiques, équipage de L’Atalante, équipes AUV et Nautile),  merci   pour   tous   ces   échantillons   et   d’avoir   contribué   à   la   réalisation   de   cette   thèse.   

Karine   Estève,   je   tiens   à   te   remercier   pour   nos   discussions,   ta   bonne   humeur   et   ton   soutien   les   week ‐ ends  

«   fermentations   ».   Je   te   souhaite   une   bonne   continuation.  

Carole, ma biologiste préférée : un grand merci pour tout ! Qu’est‐ce que j’aurai fait sans toi et ton soutien !! Tu  es  formidable. Merci pour  ta  gentillesse et ton aide. Merci pour  les pauses  thés, les repas et nos discussions et  tous les bons moments ! Merci aussi pour ton aide précieuse pour la mise en page de ce manuscrit. Je garde un  très bon souvenir de tous  nos bons  moments ici, au labo  et à bord (surtout  lors des manips  de nuits : toi et les  sulfures, moi et les modules !). 

Amandine  et  Anne‐Sophie,  merci pour  votre  bonne  humeur,  votre  gentillesse  votre soutien, nos discussions  et  nos rires ! 

Un   merci   particulier   à   Marianne,   ma   binôme   et   co ‐ présentatrice   du   journal   télévisé   de   20h   !!!   Merci   pour   tout   :   nos   petits   repas,   nos   (fou)rires,    parfois   nos   pleurs   et   surtout   pour   ton   écoute   et   ton   soutien   de   toujours   et   sans   faille   :   on   est   des   warriors   !!   Merci   tous   les   bons   moments   passés   ensemble   et   aux   prochains.  

Mathilde,   on   se   connait   depuis   la   fac   et   depuis   BIG   encore   plus   :   tu   es   quelqu’un   de   vraiment   formidable   !   Merci   pour   ton   soutien   depuis   ces   années   et   pour   tous   les   bons   moments   passés   ensemble.   Merci   pour   ton   aide   à   bord   :   de   l’étiquetage   des   fioles   aux   découpages   des   carottes   dans   la   «   fameuse   »   tente   !!!   Je   n’oublierai   pas   tous   ces   bons   moments   à   bord   et   à   Terre.   Je   croise   les   doigts   pour   toi   !   

Anaïs,   je   me   souviendrai   toujours   du   congrès   Extremophiles   à   Séville   :   la   visite   de   la   bodega   et   son   petit   train,   les   boutiques   à   l’autre   bout   de   la   ville   et   les   robes   pour   la   soirée   :   quelles   expériences!!!!   Courage   pour   la   suite   et   à   bientôt à Lyon !  

Merci à toi Adé, pour tes PPP (pensées positives permanentes)! PPP à toi aussi surtout pour le 8 juillet. 

Merci  à  Marie‐Agnès  pour  ton  amitié,  ton  écoute  et  soutien  sans  faille.  Merci  pour  toutes  les  activités  sportives (surtout  nos  discutions  pendant  les  longueurs  de  piscines)  ou  non,  nos  grandes  discussions  et    nos  petites et grandes protestations « vidage de tête » toujours justifiées !!! 

Merci aussi à tous ceux que je n’ai pas cité pour leur soutien. 

Merci à ma famille d’avoir toujours cru en moi et pour leur soutien. 

Un   immense   merci   à   mes   parents.   Merci   d’avoir   toujours   eu   confiance   et   cru   en   moi,   merci   pour   votre   soutien   de   tous   les   jours,   pour   vos   encouragements   et   votre   présence.   Merci   d’avoir   toujours   été   là   pour   moi,   dans   les   moments   difficiles   comme   dans   les   bons   moments.   Merci   aussi   d’avoir   eu   la   patience   de   relire   ce   manuscrit   et   de   corriger   l’orthographe,   je    vous   promets   de   faire   attention   aux   «   s   »   et   «   e   »   en   trop   ou   que   j’oublie   de   mettre   quand   il   faut   !!  

Enfin,   je   remercie   à   toutes   les   personnes   passionnées   et   passionnantes   que   j’ai   pu   rencontrer   au   cours   de   cette   thèse.  

Un   grand   merci   à   tous    

Sommaire  

Remerciements   ... 3 

Sommaire   ...   7  

Liste des figures   ...   11  

Liste   des   tableaux  ... 17 

Liste   des   abréviations   ...   19  

I.   Systèmes   hydrothermaux   océaniques   profonds   :   cycles   biogéochimiques   du   soufre   et   du   fer   et   interactions   géo ‐ microbiologiques   :   Contexte   de   l’étude   ...   21  

1.  Contexte de l’étude : les systèmes hydrothermaux océaniques profonds  ... 24 

2.   Cycles   biogéochimiques   du   Soufre   et   du   Fer   et   interactions   géo ‐ microbiologiques   en   condition hydrothermale ... 32 

3.   Relations   microorganismes ‐ biotope   hydrothermal,   à   haute   température   ...   52  

4.   Le   Bassin   de   Guaymas   :   un   site   d’étude   particulier   ?   ...   54  

5.   Objectifs   du   projet   ...   60  

II.   De   l’échantillonnage   dans   le   Bassin   de   Guaymas   aux   analyses   au   laboratoire   :   Matériel   et   Méthodes   ...   65  

1.   Fond   océanique   du   Bassin   de   Guaymas   :   localisation   et   description   des   sites   d’études   ...   69  

2.  Méthodes d’échantillonnages et conditionnement à bord ... 77 

3.   Analyses    microbiologiques,   géochimiques,   isotopiques   et   minéralogiques   au   laboratoire   91   III.   Sites   hydrothermaux   de   la   Dépression   Sud   du   Bassin   de   Guaymas   :   Description   minéralogique   des   édifices   et   géochimie   des   fluides   ...   139  

1.   Description   du   site   hydrothermal   Rebecca’s   Roost   et   échantillonnage   ...   141  

2.  Composition minéralogique des échantillons d’édifices hydrothermaux  ... 146 

3.   Géochimie   des   fluides   ...   147  

4.   Etude   préliminaire   des   sédiments   hydrothermaux   :   ...   164  

IV.   Colonisation   et   altération   des   verres   basaltiques   in   situ   ...   171  

1.   Introduction   des   études   ...   173  

2.  Méthodes utilisées ... 173 

3.   Etude   A   :   Article   1 ‐  Microbial   colonization   of   basaltic   glasses   deployed   on   hydrothermal   organic‐rich sediments at Guaymas Basin ... 175 

4.   Etude   B   :   Article   2  ‐  Microbial   colonization   of   basaltic   glasses   in   hydrothermal   organic ‐ rich   sediments   at   Guaymas   Basin   ...   218  

5.   Résultats   complémentaires   ...   260  

6.   Synthèses   des   études   ...   265

V.   Aperçu   des   interactions   micro ‐ organismes   /   minéraux   lors   d’une   culture   d’enrichissement   en   continu   utilisant   du   fluide   hydrothermal   dilué   comme   milieu   de   culture   et   un   fragment   de  

cheminée   hydrothermale   comme   inoculum  ... 271 

1.   Introduction   de   l’étude   ...   273  

2.   Méthodes   utilisées   ...   274  

3.  Article 3 ‐ Insights into microbial‐mineral interactions with continuous enrichment culture  of   hydrothermal   chimneys   using   hydrothermal   fluid   as   medium   ...   275  

4.  Synthèse de l’étude  ...  311 

VI.   Etude   du   fractionnement   isotopique   du   fer   par   des   microorganismes   thermophiles   :   Cultures   de   communautés   microbiennes   (culture   d'enrichissement   en   continu)   et   de   souches   pures   ferri ‐ réductrices   ...   313  

1.   Introduction   de   l’étude   ...   315  

2.   Méthodes   utilisées   ...   316  

3.   Article   4  ‐  Investigation   of   iron   isotope   fractionation   by   thermophilic   microorganisms   using   continuous enrichment culture in bioreactor and pure strains  ... 317 

4.   Synthèse   de   l’étude   ...   355  

VII.   Résultats   des   cultures   en   fioles...   359  

1.  Etude A : Cultures en fioles ... 361 

2.   Etude   B   :   Article   5  ‐  Caractérisation   d’une   nouvelle   souche   d’Archaea   anaérobie   et   hyperthermophile   isolée   d’un   édifice   hydrothermal   du   Bassin   de   Guaymas:   Pyrococcus kukulkanii  sp. nov.  ... 367 

VIII.   Etude   du   fractionnement   isotopique   du   soufre   par   des   micoorganismes   thermophiles   :   Cas   des   sulfo ‐ réducteurs   et   sulfato ‐ réducteurs   ...   385  

1.   Introduction   de   l’étude   ...   387  

2.   Méthodes   utilisées   ...   388  

3.   Article   6  ‐  Reverse   mass ‐ dependant   sulfur   isotopes   fractionation   during   sulfur ‐ reduction   and sulfate‐reduction by hyperthermophilic  Archaea  isolated from deep‐sea hydrothermal system   389  4.   Synthèse   de   l’étude   ...   411  

IX.   Synthèse   et   perspectives   ...   413  

1.  Synthèse ... 415 

2.   Perspectives   ...   425  

3.   Conclusion   ...   426  

X.   Bibliographie   ...  427 

XI.   Annexes   ...   451  

Annexe   1   :   Bacteria   isolées   des   sources   hydrothermales   océaniques   profondes   ...   453  

Annexe 2 :  Archaea  isolées des sources hydrothermales océaniques profondes ... 475 

Sommaire  

Annexe   3   :   Résumé   de   la   présentation   orale   exposant   la   méthode   d’analyse   directe   des   isotopes   du   soufre de l’hydrogène sulfuré par la technique du « sparging », présenté à l’EGU en 2010 ... 487  XII.   Appendices   ...   489   Appendice   1:   Communications   orales   ...   491   Appendice   2:   Poster   1  ‐  Stable   isotopic   tracing   of   Sulfur   and   Iron   biogeochemical   cycles   in   seafloor   hydrothermal systems  ...  492  Appendice   3:   Poster   2  ‐  Continuous   enrichment   culture   in   bioreactor:   Access   to   iron ‐ reduction   by   thermophilic microorganisms inhabiting deep‐sea hydrothermal system of Guaymas Basin ... 494  Appendice   4:   Poster   3  ‐  Continuous   enrichment   culture   using   diluted   hydrothermal   fluid   as  

medium:   insights   into   sulfur   and   iron   biogeochemical   cycles,   microbial   actors,   and   mineral  

interactions   in   active   deep ‐ sea   vent   chimney   of   Guaymas   Basin   ...   496  

Appendice   5:   Article   7   –   DNA   extractions   from   deep   subseafloor   sediments:   Novel   cryogenic ‐ mill ‐

based   procedure   and   comparison   to   existing   protocols   ...   498  

Appendice   6:   Article   8   –   Nautilia abyssi sp.   nov.,   a   thermophilic,   chemolithoautotrophic,   sulfur ‐

reducing   bacterium   isolated   from   an   East   Pacific   Rise   hydrothermal   vent   ...   508  

Résumé   ...   516  

Summary   ...   516  

Liste   des   figures  

Figure   I ‐ 1:   Localisation  des  dorsales  océaniques,  zone  de  subduction  et  bassins  arrière‐arcs,  des   sources   hydrothermales   actives   et   suspectées,   des   arcs   volcaniques   actifs   et   suspectés   ainsi   que   les   volcans   intra ‐ plaque   actifs……….25    

Figure   I ‐ 2:   Représentation   schématique   d’une   source   hydrothermale   océanique………27    

Figure   I ‐ 3   :   Schéma  illustrant  le  mélange  entre  le    fluide  hydrothermal  réduit,  riche  en  gaz  dissous (H

S, H

, CH

) et en métaux (Fe, Mn) et l’eau de mer oxygénée qui contient des sulfates  et   des   nitrates.   ……….29    Figure   I ‐ 4   :   Schéma   illustrant   le   fractionnement   isotopique   entre   deux   compartiments   1   et   2   (molécules,   minérale,   organismes   etc…),   ou   la   variation   d’abondance   entre   les   isotopes   A   et   B,   de   l’élément   X   au   cours   d’une   réaction………..33    Figure   I ‐ 5   :   Schéma   représentant   les   deux   stades   de     formation   des   cheminées   hydrothermales………35   Figure   I ‐ 6   :  Principales réactions du cycle biogéochimique du soufre modifié d’après Madigan  et   Martinko,   2002   (Madigan   and   Martinko   2007)………..37     

Figure   I ‐ 7   :   Principales   réactions   biogéochimiques   impliquant   l’H

S   dissous   en   aérobiose   et   en   anaérobiose,   couplées   au   cycle   du   fer……….39    

Figure   I ‐ 8   :   Cycle  biogéochimique  du  Fer  modifié  d’après  Kapler  et  Staub,  2005  et  Taylor  et  Konhauser,  2011  (Kappler  and  Straub  2005;  Taylor  and  Konhauser  2011) ;  DIR  signifie  Dissimilatory   Iron   reduction   ou   réduction   dissimilative   du   Fe(III).   ……….46    

Figure   I ‐ 9   :   Cycle   du   Fer    et   souches   (hyper)thermophiles   isolées   d’environnements    hydrothermaux,   impliqués   dans   ce   cycle………..48   Figure   I ‐ 10   :   Carte   du   nord ‐ ouest   mexicain,   montrant   la   localisation   du   Golfe   de   Californie   entre les états de Sonora, de Sinaloa et de la péninsule de Basse Californie. La dorsale oblique  traversant du nord au sud le golfe de Californie est aussi illustrée (modifé d’après (Mayer and  Vincent 1999)). ………55  Figure   I ‐ 11   :   Carte   de   l’ouest   du   continent   mexicain,   de   la   péninsule   de   basse   Californie   et   du   Golfe   de   Californie,   localisant   le   Bassin   de   Guaymas   et   illustrant   les   principaux   fleuves   qui   alimentent   le   Golfe   de   Californie   en   apports   terrigènes   (modifé   d’après   Dean,   2004   (Dean   et   al.  

2004)).   ………56    

Figure   I ‐ 12   :  Carte du  Golfe de Californie, localisant le  Bassin de  Guaymas, les autres  bassins 

ainsi   que   la   dorsale   oblique   traversant   le   golfe   de   Californie   du   nord   au   sud   (modifié   d’après  

Lonsdale,   1980   (Lonsdale   and   Lawver   1980;   Lonsdale   et   al.   1980))………57  

Figure   I ‐ 13   :   Localisation   des   zones   hydrothermales   (Southern   Trough   et   Northern   Trough)   et   de la zone d’émission de fluide froid (Marge de Sonora) dans le  Bassin de Guaymas (modifié  d’après Otero, 2003 (Otero et al. 2003)). ……….58  Figure   I ‐ 14   :  Schéma expérimental mis en place reposant d’une part pour un même échantillon  d’étudier   sa   diversité   microbienne   par   approches   moléculaires   et   culturales   et   de   le   caractériser   minéralogiquement,   chimiquement   (et   isotopique   lorsque   c’est   possible)   ;   et   d’autre   part,   d’étudier   le   fractionnement   isotopique   à   haute   température,   de   cultures   pures,   de   communautés   microbiennes   et   de   témoins   abiotiques   afin   de   corréler   les   signatures   isotopiques   in   situ   avec   celui   obtenu   in   vitro   par   des   souches   pures,   des   communautés   ou   des   témoins abiotiques. ……….61  Figure   I ‐ 15   :  Schéma   expérimental   mis   en   place   lors   de   l’étude   des   modules   de   colonisation..63    Figure   II ‐ 1   :   Cartes   satellites   du   Bassin   de   Guaymas   avec   la   localisation   de   la   zone   hydrothermale   au   niveau   de   la   Dépression   Sud,   de   la   zone   d’émission   de   fluide   froid   au    niveau   de   la   marge   de   Sonora   et   de   la   zone   de   référence   située   hors   axe   des   zones   actives   d’hydrothermalisme   ou   d’émission   de   fluide.   ……….68    

Figure   II ‐ 2   :  Carte bathymétrique représentant la ride Sud du Bassin de Guaymas avec les cinq  sites  hydrothermaux :  édifices  hydrothermaux :  Rebecca’s  Roost  et  BIG  2,  et  sédiments  percolés   de   fluides   hydrothermaux   :   Megamat,   M27   et   Mat   Mound   (BIG   1)   échantillonnés   lors   de   la   campagne   BIG.   ………70     

Figure   II ‐ 3   :   Carte   bathymétrique   représentant   les   sites   de   la   Dépression   Sud   du   Bassin   de   Guaymas,   sont   représentés   les   sites   explorés   et   échantillonnés   lors   de   la   campagne   BIG………71    

Figure   II ‐ 4   :  Carte bathymétrique détaillant les sites hydrothermaux localisés au nord de la ride  de   la   Dépression   Sud.   ………71      

Figure   II ‐ 5   :   Carte   bathymétrique   détaillant   les   sites   hydrothermaux   et   sédimentaires   percolés   par   des   fluides   hydrothermaux   localisés   au   niveau   du   rift   de   la   Dépression   Sud………72    

Figure   II ‐ 6   :  (a) Photographie d'une flange (b) photographie de dessous de la flange; (c) schéma  illustrant une flange avec le fluide hydrothermal piégé sous elle………73   

Figure   II ‐ 7   :   Photographies   du   site   Rebecca’s   Roost   prises   avec   le   submersible   Nautile   durant   la   campagne   BIG.   ………74   Figure   II ‐ 8   :   Photographies   du   site   BIG   2.   ……….74   Figure   II ‐ 9   :   Photographies   du   site   Mat   Mound.   ………75   

Figure   II ‐ 10   :   (a  et  b)  Photographies  du  site  Marker  27  prises  avec  le  submersible  Nautile  durant   la   campagne   BIG.   ……….76    

Figure   II ‐ 11   :   (a   et   b)   Photographies   du   site   MegaMat   prises   avec   le   submersible   Nautile   durant   la   campagne   BIG   (plongée   1764)   ;   (b)   montre   des   bulles   d’hydrocarbures   s’échappant   du   sédiment   pendant   le   déploiement   de   la   chambre   benthique   CALMAR………76  

Figure   II ‐ 12:   Photographie  du  site  de  référence  prise  avec  le  submersible  Nautile  durant  la 

campagne   BIG   (plongée   1771).   ………77  

Liste   des   figures    

Figure   II ‐ 13   :  Découpage et conditionnement des carottes « géomicrobiologie »……….80    

Figure   II ‐ 14   :   Photographie  de  la  boîte  à  gants  anaérobie  utilisée  lors  du  découpage  et  du  traitement   des   carottes   «géomicrobiologie».   ………..82    

Figure   II ‐ 15   :   Les   outils   de   prélèvement   de   fluide.   ………83    

Figure   II ‐ 16   :   Photographie   de   module   AISICS1   et   du   module   de   géomicrobiologie,   déployés   à   proximité l’un de l’autre, sur le site Mat Mound……….85   

Figure   II ‐ 17   :   Photographie   de   module   AISISC   1   prise   à   bord   pendant   sa   mise   en   œuvre……….86    

Figure   II ‐ 18   :   Photographie   des   petits   incubateurs   biotiques   et   abiotiques   contenus   dans   le   colonisateur   AISICS………..………...86   Figure   II ‐ 19   :   Photographie  du  module  de  colonisation  géomicrobiologie  après  son  déploiement. ……….88    Figure II‐20 : Schéma   représentant   le   bioréacteur   gas ‐ lift   et   ses   équipements………109  

Figure   II ‐ 21   :   Photographie   du   baby   bioréacteur   gas ‐ lift   à   bord   de   L’Atalante   pendant   la   campagne……….113    

Figure   II ‐ 22   :   Photographies   des   deux   bioréacteurs   utilisés   pour   les   deux   cultures   en   condition   de ferri‐réduction réalisées au laboratoire. ……….115    Figure   II ‐ 23   :  Représentation schématique du protocole de dosage du fer ferreux, du fer total  dissous   et   du   fer   total   par   la   méthode   de   la   Ferrozine……….120    

Figure   II ‐ 24   :   Représentation   schématique   du   montage   expérimental   utilisé   pour   l’analyse   directe   des   isotopes   du   soufre   par   Sparging   développée   au   laboratoire………124   Figure   II ‐ 25   :   Représentation   graphique   des   rapports   isotopiques   en   soufre  

S/

S   du   standard   S

, du Cds et du PbS en fonction des rapports isotopiques en magnésium 

Mg/

Mg mesuré  en même temps que l’échantillon et montrant que les rapports du S et du Mg évoluent selon la  même   tendance   pour   une   composition   isotopique   du   S   donné………126          

Figure   II ‐ 26   :   Représentation   schématique   du   montage   lors   de   l’analyse   d’un   échantillon….127    

Figure   II ‐ 27   :   Cas   d’injections   multiples   d’une   solution   de   Na

S   (à   50   ppm)   fixées   sous   forme   de   ZnS :  (a)  chaque  injection  génère  un  signal  transitoire dont  l’intensité  est  mesurée  en  volt  (courbes bleues claire); (a et b) calcul  du rapport 

S/

S   en prenant l’intégrale de toutes  les  valeurs   du   rapport  

S/

S   mesurées   lors   de   la   montée   du   signal   transitoire   (points   en   bleus   foncés   sur   les   graphiques)   ;   (b)   valeurs   isotopiques   (points   bleus)   des   rapports

S/

S   obtenues   pour   ces   injections   multiples.   ………127     

Figure   II ‐ 28   :   Représentation   graphique   du   signal   transitoire   en   isotope   32   du   S   généré   lors   de   l’acidification de 10 µg de S d’un échantillon de CdS. Au fil des cycles d’analyses, le signal en 

S  diminue jusqu’à atteindre la ligne de base (0 volt). ………128   

(j)   (i)   (f)   (d)   (c) 

(f)  

(g)  

(a)   (b)  

Figure   II ‐ 29   :   Photographie   du   système   utilisé   pour   les   analyses   des   isotopes   multiples   du   soufre. ………132   

Figure   II ‐ 30   :  Représentation schématique de la méthode utilisée pour convertir les précipités  de   ZnS   en   Ag

S.   ……….133    

Figure   III ‐ 1   :   Carte   bathymétriques   localisant   les   sites   hydrothermaux   dont   Rebecca’s   Roost,   situés   au   nord   de   la   Dépression   Sud.   ………141     Figure   III ‐ 2   :   Cheminées   hydrothermales   du   site   Rebecca’s   Roost………142    

Figure   III ‐ 3   :   Flange   hydrothermal   échantillonnée   lors   de   la   plongée   1747………143     

Figure   III ‐ 4   :   Localisation   des   échantillons   prélevés   par   les   bouteilles   Titanes   (1   sur   le   schéma)   et   par   le   système   de   collecte   de   fluide   PEPITO   (2   sur   le   schéma),   au   niveau   du   flange   hydrothermal,   lors   de   la   plongée   1747.   ………143    

Figure   III ‐ 5   :  Cheminée hydrothermale échantillonnée lors de la plongée 1772………144    Figure III‐6 :   Localisation   des   échantillons   prélevés   par   le   système   de   collecte   de   fluide   PEPITO,   dans   le   gradient   de   mélange   fluide   hydrothermal ‐ eau   de   mer………145     

Figure   III ‐ 7   :   Schéma   représentant   le   fonctionnement   d’un   système   hydrothermal     et   son   impact   sur   la   colonne   d'eau   sus ‐ jacente………151    

Figure   III ‐ 8   :   Schémas  illustrant  les  trois  comportement  possibles  des  élément  lors  d’un  mélange   fluide   hydrothermal ‐ eau   de   mer………153    

Figure   III ‐ 9   :   Diagramme   illustrant,   les   concentrations   en   baryum   dissous   dans   le   panache,    en   fonction   du   pourcentage   de   mélange   du   fluide   hydrothermal   avec   l’eau   de   mer………157    

Figure   III ‐ 10   :  Diagramme illustrant, les concentrations en  soufre dissous et particulaire, dans  le  panache,    en  fonction  du  pourcentage  de  mélange  du  fluide  hydrothermal  avec  l’eau  de  mer.   ……….157    

Figure   III ‐ 11   :   Diagramme   illustrant,   les   concentrations   en   H

S,   dans   le   panache,   en   fonction   du   pourcentage   de   mélange   du   fluide   hydrothermal   avec   l’eau   de   mer.   ………158    

Figure   III ‐ 12   :  Diagrammes illustrant, les concentrations en fer dissous et particulaire, dans le  panache,    en  fonction  du  pourcentage  de  mélange  du  fluide  hydrothermal  avec  l’eau  de  mer……….158    

Figure   III ‐ 13   :   Diagramme   illustrant,   les   concentrations   en   cuivre   dissous   et   particulaire,   dans   le   panache,     en   fonction   du   pourcentage   de   mélange   du   fluide   hydrothermal   avec   l’eau   de   mer……….159    

Figure   III ‐ 14   :   Diagrammes  illustrant,  les  concentrations  en  cadmium  particulaire,  plomb 

particulaire   et   zinc   particulaire,   dans   le   panache,    en   fonction   du   pourcentage   de   mélange   du  

fluide   hydrothermal   avec   l’eau   de   mer.   ……….159  

Liste   des   figures  

Figure   III ‐ 15   :   Diagrammes   illustrant,   les   concentrations   en   molybdène   dissous   et   particulaire,   dans le panache,   en  fonction du pourcentage  de  mélange du fluide hydrothermal  avec l’eau  de mer. ………..160     

Figure   III ‐ 16   :   Diagrammes   illustrant,   les   concentrations   en   uranium   dissous   et   particulaire,   dans   le   panache,    en   fonction   du   pourcentage   de   mélange   du   fluide   hydrothermal   avec   l’eau   de   mer.   ………..161    

Figure   III ‐ 17   :   Valeur   du  

Fe   du   fer   dissous   (en   bleu)   et   du   fer   total   (en   rouge)   par   rapport   aux   pourcentages de mélange fluide hydrothermal‐eau de mer………162   

Figure   III ‐ 18   :   Diagrammes   illustrant,   par   site,   les   concentrations   en   magnésium   dissous   en   fonction   de   la   profondeur.   ………..165  

Figure   III ‐ 19   :   Diagramme   indiquant   la   courbe   de   mélange   eau   de   mer ‐ fluide   hydrothermal   et   illustrant, la localisation des  sites dans cette gamme de mélange, selon les concentrations en  sulfate en fonction des concentrations en Mg. ………166     Figure III‐20 :   Diagrammes   illustrant,   par   site,   les   concentrations   en   soufre   total   dissous   et   en   H

S   en   fonction   de   la   profondeur………167    

Figure   IV ‐ 1   :   Arbre   phylogénétique   représentant   la   position   des   séquences   du   gène   codant   pour   l’ARNr   16S   issues   des   2   modules   de   colonisation   AISICS   (en   gras   et   en   bleu)   au   sein   des   Crenarchaeota et des Korarchaeota (hors Euryarchaeota)………260  Figure   IV ‐ 2   :   Arbre  phylogénétique  représentant  la  position  des  séquences  du  gène  codant  pour   l’ARNr   16S   issues   des   2   modules   de   colonisation   AISICS   (en   gras   et   en   bleu)   au   sein   des   Euryarchaeota   (hors   Crenarchaeota   et   des   Korarchaeota)………261    Figure   IV ‐ 3   :   Arbre   phylogénétique   représentant   la   position   des   séquences   du   gène   codant   pour   l’ARNr   16S   issues   des   2   modules   de   colonisation   AISICS   (en   gras   et   en   bleu)   au   sein   des   Bacteria   (hors   Proteobacteria)………262   Figure   IV ‐ 4   :  Zoom sur l’arbre phylogénétique représentant la position des séquences du gène  codant l’ARNr 16S issues des 2 modules de colonisation AISICS (en gras et en bleu) au sein de  Planctomycetes……….263    Figure   IV ‐ 5   :   Photographies   MEB   de   verres   basaltiques   du   module   AISICS1   incubé   en   condition   biologique   (BSA   électrons   rétrodiffusés   et   SE    électrons   secondaires)………...264    

Figure   IV ‐ 6   :   Photographies   MEB   de   verres   basaltiques   du   module   AISICS1   incubé   en   condition   abiotique (BSA électrons rétrodiffusés et SE  électrons secondaires)……….…265    Figure VII‐1: Arbre   phylogénétique   de   distance   minimale   évolution,   réalisé   à   partir   des   gènes   codant   les   ARNr   16S   (gène   partiel)   montrant   la   position   des   souches   de   Pyrococcus   isolées   (en   gras   rouge)..………363    

Figure   IX ‐ 1   :   Schéma   illustrant   l’influence   des   interactions   fluides ‐ phases   minérales   sur   les  

métabolismes  microbiens et  réciproquement, le  rôle  des  micro‐organismes sur  les  processus 

de  dissolution  et  de  précipitation  de  phases  minérales ;  le  tout  étant  contrôler  par  des 

paramètres   physico ‐ chimiques.   ………417  

Figure   IX ‐ 2   :   Représentation   schématique   du   cycle   du   soufre   en   anaérobie,   à   haute   température et de ces acteurs microbiens détectés lors de nos études………418  Figure   IX ‐ 3   :  Représentation schématique du cycle du fer en anaérobie, à haute température et  des micro‐organismes détectés lors de nos études.. ………419  Figure   IX ‐ 4   :   Représentation   schématique   du   cycle   du   soufre   en   anaérobie,   à   des   températures   proches   de   40 ‐ 50°C,   et   des   acteurs   microbiens   impliqués,   détectés   lors   de   nos   études……….420   Figure   IX ‐ 5   :   Représentation   schématique   du   cycle   du   fer   en   anaérobie,   à   des   températures   proche   de   40°C,    et   des   micro ‐ organismes   détectés   lors   de   nos   études………..420   Figure   IX ‐ 6   :   Représentation   schématique   du   fonctionnement   des   cycles   du   soufre   et   du   fer   via   les interactions entre procaryotes‐phases minérales‐fluide, à haute température (85°C)…….421  Figure   IX ‐ 7:  Représentation   schématique   du   fonctionnement   des   cycles   du   soufre   et   du   fer   via   les   interactions   entre   procaryotes ‐ phases   minérales ‐ fluide,   à   des   températures   proches   de   40°C.   ……….421   Figure   IX ‐ 8:   Représentation   schématique   des   différentes   voies   de   formation   de   la   pyrite   dans   les   mini ‐ colonisateurs   biotiques   et   abiotiques.   ………423      

Liste   des   tableaux  

Tableau   I ‐ 1   :   Métabolismes  microbiens  connus  et  suspectés,  associés  aux  sources  hydrothermales  océaniques……….30    

Tableau   I ‐ 2   :   Degrés   d’oxydation   des   composés   soufrés.   L’état   d’oxydation   de   l’atome   est   celui   de   l’atome   de   soufre   de   la   molécule………..37   Tableau   I ‐ 3:   Tableau   comparant   les   facteurs   de   fractionnement   ( )   en   fonction   de   la   souche   microbienne,  du  taux  de  réduction  des  sulfates  par  cellules,  du  donneur  d’électrons  et  de  sa  concentration………..45  Tableau   I ‐ 4:  Tableau   comparant   les   valeurs   de  

Fe   du   Fe(II)   en   fonction   des   réactions   abiotiques   et   métabolismes   microbiens.   ………51   Tableau   I ‐ 5   :   Composition   des   sédiments   du   Bassin   de   Guaymas……….58   Tableau   II ‐ 1   :   Tableau   répertoriant   les   trois   cheminées   hydrothermales   échantillonnées   selon   leur   numéro   de   plongée,   le   site   de   prélèvement,   le   type   de   structure   et   leurs   conditionnements………….77  

Tableau   II ‐ 2   :   Tableau  des  prélèvements  et  des  sous‐échantillonnages  des  carottes 

«   géomicrobiologie   ».   ………80    

Tableau   II ‐ 3   :   Caractéristiques   des   amorces   utilisées   pour   les   PCRs………95   Tableau   II ‐ 4   :   Compositions   des   solutions   dénaturantes   utilisées   pour   les   gels   de   DGGE   à   6%  

d’acrylamide/bisacrylamide.   ………..98  

Tableau   II ‐ 5   :  Inocula, sections sédimentaires et métabolisme ciblé lors de l’enrichissement…………102 

Tableau   II ‐ 6   :   Echantillons,  métabolismes  ciblés,  milieux  de  cultures  utilisés*  et  températures 

d‘incubations   lors   des   cultures   d’enrichissements………106  

Tableau   II ‐ 7   :   Tableau   indiquant   la   valeur   du  

S   du   NBS   123   fixé   sous   forme   de   ZnS,   en   fonction   de  

la   quantité   de   soufre   injecté   et   au   cours   de   plusieurs   séries   analytiques   et   des   valeurs   obtenues   pour  

le   PbS   et   le   CdS.   ………129  

Tableau   II ‐ 8   :   Tableau   indiquant   la   valeur   du  

S   de   l’H

S   provenant   d’échantillons   naturels   (eaux  

interstitielles, fluide hydrothermal et de souches microbiennes)  fixé sous forme de ZnS ; par rapport 

à la valeur du S

 mesurée. ………130 

Tableau   III ‐ 1   :  Tableau associant l’échantillon à sa température………146 

Tableau   III ‐ 2   :   Tableau   comparant   les   abondances   relative   de   chaque   phase   minérale   entre  

l’échantillon   de   flange   hydrothermale   (Pl   1747)   et   de   cheminée   hydrothermale   (Pl   1772)   ………147  

Tableau   III ‐ 4   :   Concentration   en   acides   organiques,   en   sulfates   et   en   éléments   majeurs   et   traces   dans  

l’eau   de   mer,   dans   les   fluides   hydrothermaux   de   la   plongée   1747   collectés   avec   des   bouteilles   Titanes  

et   le   système   de   prélèvement   PEPITO………149