Présence de bactéries méthanogènes méthylotrophes

OCEANOLOGICAACTA 1987- VOL.10- W 2
Présence de bactéries
méthanogènes méthylotrophes
dans les sédiments profonds
du détroit de Makassar (Indonésie)
tar-----
Bactéries sulfato-réductrices
Méthanogènes méthylotrophes
Sédiments profonds
Sulfate-reducing bacteria
Methylotrophic methanogens
Deep-sea sediments
Danielle G. MARTY, Jean E. GARCIN
Microbiologie Marine, CNRS, Université de Provence, 3, place Victor-Hugo, F 13331
Marseille Cedex 3, France.
Reçu le 16/6/86, révisé le 19/9/86, accepté le 6/10/86.
RÉSUMÉ
La compétition entre les bactéries sulfato-réductrices et les bactéries méthanogènes
pour l'utilisation de substrats communs (hydrogène et acétate), a longtemps été
considérée comme l'un des principaux facteurs contrôlant la méthanogénèse dans les
sédiments marins. De récentes études ont montré que les méthylamines, et plus
particulièrement la triméthylamine, pouvaient constituer des précurseurs méthanogènes
« non-compétitifs >> quantitativement importants dans certains écosystèmes marins.
Les cinq espèces méthanogènes méthylotrophes marines décrites actuellement, ont
toutes été isolées de sédiments peu profonds. Au cours de la mission « Misedor » du
N/0 « Jean Charcot » en.Indonésie, nous avons pu mettre en évidence la présence de
bactéries méthanogènes dégradant les méthylamines, dans les sédiments d'une fosse
océanique de 2 000 rn de profondeur, dans le détroit de Makassar.
Oceanol. Acta, 1987, 10, 2, 249-253.
ABSTRACT
Occurrence of methylotrophic methane-producing bacteria in deep-sea
sediments collected in Makassar Strait (Indonesia)
Competition for hydrogen and acetate between sulfate reducing and methane producing bacteria has generally been recognized as one of the major factors controlling
methanogenesis in anoxie marine sediments. Recent studies have shown that methylarnines, and trimethylamine in particular, could be significant "non-competitive"
methane precursors in a variety of marine systems. Recently five methylotrophic
methanogenic bacteria were isolated from shallow marine sediments. During the
"Misedor" cruise of the R.V. "Jean Charcot" in Indonesia, we detected methanogenic
bacteria able to produce methane from methylamines, in sediments collected from an
oceanic trench at a depth of 2 000 rn, in the Makassar Strait.
Oceanol. Acta, 1987, 10, 2, 249-253.
INTRODUCTION
la plupart des dénombrements et des mesures d'activité
de la microflore méthanogène ont utilisé H 2 -C02
comme substrat, ce qui a pu fausser quelque peu les
conclusions tirées quant aux caractéristiques des populations méthanogènes dominantes in situ (King, 1984 a).
Les études réalisées avec des traceurs radioactifs (carbonate et acétate) ont montré que, dans les sédiments .
marins, le méthane provenait principalement de la
réduction du carbonate. Toutefois, après épuisement
du sulfate présent, l'acétate, précurseur méthanogène
potentiel, est utilisé par les bactéries méthanogènes, ce
La sulfato-réduction et la méthanogénèse sont des processus microbiens particulièrement importants dans les
environnements anoxiques, où ils constituent les étapes
finales majeures de la minéralisation de la matière organique (Mountfort, Asher, 1981; Senior et al., 1982).
Jusqu'à ces dernières années, il était admis que les
bactéries méthanogènes étaient toutes capables de produire du méthane par réduction du gaz carbonique
avec l'hydrogène (Balch et al., 1979). Par conséquent,
0399-1784/87/02 249 05/$ 2.50/@ Gauthier-Villars
249
,
O. G. MARTY. J. E. GARCIN
La présence de bactéries méthanogènes capables de
métaboliser les méthylamines pouvant influer fortement
sur la quantité de méthane produit dans certains biotopes sédimentaires, nous avons cherché à mettre en
évidence des bactéries méthanogènes présentant de telles potentialités cataboliques dans les sédiments prélevés dans le détroit de Makassar (Indonésie) au cours
de la mission pluridisciplinaire « Misedor » du N/0
«Jean Charcot» (décembre 1984).
qui implique l'existence, dans les sédiments marins, de
bactéries méthanogènes capables d'utiliser des substrats
méthylés (Warford et al., 1979; Senior et al., 1982).
Des caractéristiques thermodynamiques et cinétiques
favorisent les bactéries sulfata-réductrices par rapport
aux bactéries méthanogènes pour l'utilisation de l'acétate et de l'hydrogène (Lovley, Klug, 1983 a; Robinson,
Tiedje, 1984). Dans les sédiments marins ou intertidaux,
biotopes où la concentration en sulfate est relativement
élevée, la sulfata-réduction est donc le processus dominant, au détriment de la méthanogénèse (Mountfort,
Asher, 1981; Oremland, Polcin, 1982).
Des études récentes effectuées sur les bactéries méthanogènes méthylotrophes marines ont mis en évidence
l'importance du rôle que pourraient jouer des précurseurs méthanogènes méthylés tels que le méthanol et
les méthylamines dans des sédiments où la sulfatoréduction est active (Oremland et al., 1982; Lovley,
Klug, 1983 b; Winfrey, Ward, 1983). En particulier, la
triméthylamine, qui provient de la décomposition de la
choline et de la glycine bétaïne, deux composés synthétisés par de nombreux organismes marins, présente
l'avantage d'être peu ou pas utilisée par les bactéries
sulfata-réductrices. La triméthylamine pourrait donc
constituer un précurseur méthanogène quantitativement important dans les sédiments marins (King,
1984 a; 1984 b; Sowers et al., 1984). Cependant, des
études comparant les pools de triméthylamine présents
dans les sédiments et l'activité des bactéries méthanogènes méthylotrophes, sont encore nécessaires pour pouvoir quantifier le rôle de ces bactéries dans les écosystèmes océaniques.
MATÉRIEL ET MÉTHODES
La mission Misedor a permis l'étude de 19 stations de
prélèvement (fig. 1) entre 50 et 2 500 rn de profondeur,
situées soit à proximité des îles Lima, soit sur trois
radiales au large du delta de la Mahakam (Est-Kalimantan). Les prélèvements de sédiments superficiels
(niveaux étudiés: 0-2 cm, 4-6 cm, 10-12 cm et 1820 cm) ont été effectués à l'aide d'un carottier Reineck
court. Le sédiment profond (niveaux étudiés: 50 cm,
150 cm, 250 cm, 400 cm et 600 cm) a été prélevé à
l'aide d'un carottier Kullenberg.
Le potentiel d'oxydo-réduction a été mesuré avec une
électrode (Ag/AgCl) à pointe de pénétration.
Les dénombrements des différentes populations bactériennes anaérobies (bactéries hétérotrophes anaérobies,
sulfata-réductrices et méthanogènes) ont été réalisés
sur les sédiments de 9 stations de prélèvement. Ces
dénombrements ont été effectués en milieu liquide selon
la technique du nombre le plus probable en ensemençant trois tubes par dilution dans un milieu préparé
selon la technique de Hungate (1969) :
E112o
&120°
Mer de .Java
.
... ..
•t
Figure 1
e Localisation des stations de prélèvement
(mission << Misedor » du N/0 << Jean Charcot», décembre 1984). 0 Études bactériologiques.
e Location of samp/ing stations ("Misedor"
cruise of the R. V. "Jean Charcot", December
1984). 0 Bacteriological studies.
Mer de Bali
250
j
··
MËTHANOGËNES MËTHYLOTROPHES DANS DES SËDIMENTS PROFONDS
• milieu de base (en g/1) : KH 2 P04 0,41; Na 2 HP04.7H20 0,53; NH 4Cl 0,030; NaCl20; CaCl 2.2H 2 0
0,11; MgCl 2 .6H 2 0 0,11; NaHC03 5; Na 2 S.9H 2 0 0,3;
cystéine 0,3; résazurine 0,001; extraits de levure 1; biotrypcase 1; oligo-éléments (Ben-Bassat et al., 1981)
(10 ml);
• les bactéries hétérotrophes anaérobies ont été cultivées en tubes dans le milieu de base enrichi en extraits
de levure et peptone (respectivement 4 et 5 g/1), sous
atmosphère N 2-C02 (80-20%). Après 8 jours d'incubation à 20°C, les tubes positifs sont ceux présentant un
trouble bactérien;
• les bactéries méthanogènes non méthylotrophes ont
été dénombrées en tubes contenant le milieu de base
enrichi en formate (5 g/1), sous atmosphère H 2 -C02
(80-20 %) ; les bactéries méthanogènes méthylotrophes
ont été dénombrées en tubes contenant le milieu de
base enrichi en acétate (3 g/1), méthanol (5 mlfl) et
triméthylamine (12 ml/1), sous atmosphère NrC0 2 (8020%). Après un mois d'incubation à 20°C, les tubes
positifs sont ceux dont l'atmosphère contient du
méthane; Je méthane est détecté par chromatrographie
en phase gazeuse .à catharomètre (Marty, 1983);
• les bactéries sulfato-réductrices ont été dénombrées
en tubes contenant le milieu de base dans lequel les
réducteurs soufrés (Na 2 S et cystéine) ont été remplacés
par du citrate de titane (Zehnder, Wuhrmann, 1976)
(19 mlfl), et enrichi en formate (2 gfl), lactate (2 g/1),
acétate (2 g/1), FeC1 2 (2 g/1) et Na 2 S04 (1 g/1), sous
atmosphère H 2-C02 (80-20%). Après 8 jours d'incubation à 20°C, les tubes positifs sont ceux contenant un
précipité de sulfure de fer.
NIVEAUX
0-2c:m
11-Dc•
1 0-12cm
Eh
•003mV
•OOlmV
+120mV
NIVEAUX
0-2cm
't-6cm
10•12cm
IB•20cm
0-2cm
11-Dcm
ID-12c,.
IB-2Dcm
•OIIOIIIY
-150mV
-2115mV
·IIIDmY
-IB!imV
-175rnV
-155mV
-160mV
Eh
-1 llO mY
•160mV
-055mV
-120mV
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E
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!
2
10
NIVEAUX
Eh
0-2cm
lt-l!cm
I0-12cm
18-20cm
0-2cm
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10•12cm
18•20cm
•070mV
-070mV
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•150mV
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-115mV
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2
NIVEAUX
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10-12cm
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I0-12cm
18-20cm
•OBI!mV
-120mV
·lltO...V
·170mV
-OG7mV
·l:ZOmV
·130mV
·130mV
Figure 2
Répartition verticale des populations bacté~e~nes anaérobie~ et du
potentiel d'oxydo-réduction (Eh) dans les sediments superf1crels (020 cm) de 9 stations de prélèvement : • Bactéries hétérotrophes
anaérobies; ~ Bactéries sulfato-réductrices; fi Bactéries méthanogènes non-méthylotrophes; Iii! Bactéries méthanogènes méthylotrophes.
Vertical distribution of anaerobie bacterial populations and redox
potential (Eh) in superficial sediments (0-20 cm) at 9 sampling sta!ions:
0 Heterotrophic anaerobie bacteria; E!i!l Sulfate-reducing bacter1a; If
Non-methylotrophic methanogenic bacteria; {l§1 Methylotrophic methanogenic bacteria.
RÉSULTATS
Parmi les populations bactériennes anaérobies étudiées
(fig. 2), les bactéries hétérotrophes anaérobies se développant sur milieu peptoné, avec des effectifs variant
entre 2.10 3 et 2.104 bactéries par millilitre de sédiment,
sont les plus abondantes et les plus ubiquistes, puisque
présentes dans les sédiments des 9 stations et à tous les
niveaux sédimentaires étudiés. Les bactéries sulfatoréductrices, dont les effectifs sont plus restreints (6
à 250 bactéries/ml), sont toujours présentes dans les
sédiments superficiels, mais disparaissent rapidement
avec l'enfouissement, et sont généralement absentes audelà de 50 cm. Le nombre limité de bactéries sulfatoréductrices présentes est compatible avec l'état faiblement réduit de ces sédiments qui, dans la majorité des
cas, ne permettent pas le développement de populations
bactériennes méthanogènes.
ou les méthylamines ont été mises en évidence dans les
sédiments superficiels de la station 11 (niveau 0-2 cm).
Les stations 13 et 15 sont situées sur la radiale sud au
large du delta de la Mahakam. La station 13 est située
sur le plateau continental à une profondeur ete 50 rn,
alors que la station 15 se trouve sur le talus continental
à une profondeur de 250 m. La station 11 est située
près du Sulawesi (Célèbes) dans une dépression océanique, à 1990 rn de profondeur. Dans ces trois stations,
les bactéries méthanogènes sont uniquement présentes
dans les couches sédimentaires les plus récentes, pouvant correspondre à des dépôts plus ou moins épais
suivant la vitesse de sédimentation dans ces zones : 0- ·
2 cm dans la fosse océanique (station 11), 0-6 cm dans
la station 15, soumise aux apports fluviatiles de la
Mahakam, et 0-20 cm à l'embouchure de la Mahakam
(station 13) où la vitesse de sédimentation est la plus
élevée.
Une souche méthanogène a pu être obtenue en culture
pure à partir des tubes de dénombrement des bactéries
méthanogènes méthylotrophes de la station 11 (niveau
0-2 cm). Cette souche se rattache au genre Methanosarcina par sa morphologie, et est capa?le de produire du
Des bactéries méthanogènes ont pu être mises en évidence dans les sédiments de trois stations seulement,
leurs effectifs variant entre 6 et 25 bactéries/ml. Des
bactéries méthanogènes utilisant H 2 -C02 ou le formate
ont été détectées dans les sédiments de la station 13
(niveaux 0-2 cm, 4-6 cm, 10-12 cm et 18-20 cm) et de
la station 15 (niveaux 0-2 cm et 4-6 cm). Des bactéries
méthanogènes capables d'utiliser l'acétate, le méthanol
251
D. G. MARTY, J. E. GARCIN
t
,.
méthane à partir de H 2 -C02 , de l'acétate, du méthanol,
de la monométhylamine, de la diméthylamine et de
la triméthylamine. En culture pure, cette souche se
développe sur H 2 -C02 , ce qui n'avait pu être observé
lors des cultures d'enrichissement initiales. On peut
supposer que cette réponse négative était due à une
consommation plus rapide de l'hydrogène par des bactéries anaérobies non-méthanogènes, empêchant le
développement de la souche méthanogène. Mais la
grande versatilité nutritionnelle de celle-ci, et surtout
sa capacité à métaboliser les méthylamines, lui permettent de se développer simultanément avec les autres
populations bactériennes anaérobies, en utilisant des
substrats rarement utilisés par les micro-organismes
hétérotrophes.
DISCUSSION
Les bactéries méthanogènes qui sont caractérisées par
des potentialités cataboliques très limitées, correspondent aux bactéries les plus sensibles à l'oxygène connues
actuellement. La distribution et l'activité de ces bactéries sont donc restreintes aux environnements anoxiques, dans lesquels des bactéries associées maintiennent
un faible potentiel redox et produisent des substrats
utilisables par les bactéries méthanogènes. Si, dans les
écosystèmes sédimentaires lagunaires, estuariens ou lit- ·
toraux, la quantité de matière organique présente est
suffisamment importante pour permettre l'établissement de conditions anoxiques, ceci est rarement le cas
dans les sédiments océaniques profonds.
Une quarantaine d'espèces méthanogènes pouvant être
séparées en espèces méthylotrophes et non-méthylotrophes, ont été décrites et répertoriées au niveau international (Dubach, Bachofen, 1985). La plupart de ces
espèces sont capables d'utiliser uniquement H 2 -C02 ou
H 2 -C02 et le formate. Certaines de ces souches nonméthylotrophes ont été isolées de sédiments marins,
dont trois de sédiments marins prélevés à plus de
1000 rn de profondeur, dans des zones qui se singularisent par leur caractère anoxique : la Cariaco Trench
dans l'Océan Atlantique (Romesser et al., 1979), la
Mer Noire (Romesser et al., 1979) et les sources hydrathermales du Pacifique Est (Jones et al., 1983). Les
souches méthanogènes méthylotrophes sont plus rares;
parmi les sept espèces connues actuellement, cinq sont
d'origine marine, et ont toutes été isolées de sédiments
prélevés à des profondeurs inférieures à 50 rn, en Médi-
252
terranée (Konig, Stetter, 1982), dans l'Océan Pacifique
(Sowers, Ferry, 1983; Sowers et al., 1984), dans l'Océan
Indien (Zhilina, 1983), ou en Mer du Nord (Blotevogel
et al., 1986). Les études que nous avons effectuées
dans le détroit de Makassar correspondent donc à la
première mise en évidence de bactéries méthanogènes
méthylotrophes dans des sédiments marins profonds
(1990 rn). La présence de bactéries méthanogènes benthiques dans cette dépression océanique sous-entend un
apport important de matière organique et une·sédimentation rapide, permettant l'établissement de conditions
favorables au développement de bactéries méthanogènes.
Dans les biotopes sédimentaires marins, les deux accepteurs terminaux d'électrons les plus abondants sont le
carbonate et le sulfate. Les bactéries méthanogènes qui
réduisent le carbonate en méthane, entrent en compétition défavorable avec les bactéries sulfata-réductrices,
ces dernières utilisant l'hydrogène plus rapidement. Au
contraire, les bactéries méthanogènes capables d'utiliser
des substrats tels que la triméthylamine, pour laquelle
la compétition est minimale ou inexistante, peuvent
se développer simultanément et indépendamment des
bactéries sulfata-réductrices, et pourraient donc jouer
un rôle plus important que celui qui a été attribué
jusqu'à présent aux bactéries méthanogènes dans la
minéralisation de la matière organique.
Les bactéries méthanogènes qui utilisent le carbonate
comme accepteur d'électrons, constituent les maillons
ultimes du transfert des électrons produits par la
décomposition anaérobie de la matière organique. Par
contre, les bactéries méthanogènes méthylotrophes qui
sont capables d'utiliser les méthylamines comme seules
sources de carbone et d'énergie, agissent à un stade plus
précoce de la minéralisation de la matière organique, en
intervenant dans la fermentation des amines. De plus,
dégradant les méthylamines en CH 4 , C02 et NHt, ces
bactéries méthanogènes méthylotrophes interviennent
aussi bien dans le cycle du carbone que dans le cycle
de l'azote.
Remerciements
Ce travail a été effectué dans le cadre du Groupement
Scientifique « Misedor ».
MÉTHANOGÉNES MÉTHYLOTROPHES DANS DES SÉDIMENTS PROFONDS
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