Biodiversity in groundwaters according to a gradient of residence time and anthropogenic influence : metagenomic and geochemical coupled approaches.
Biodiversité des eaux souterraines dans un gradient de temps de résidence et d'influence anthropique : approches métagénomique et géochimique couplées
Résumé
Hard-rock aquifers are heterogeneous geological structure very widespread in Britany that have the property to store groundwater. These aquifers are often made of a weathered zone and a fractured zone. The weathered zone is a rather thin layer close to the surface and is constituted of weathered rocks submerged in groundwater. In this zone, groundwater circulates rapidly from the upper parts of the watershed to the aquifer outlet, thus shows short groundwater residence time (< 20y) and is often polluted by nitrates. The fractured zone is located deeper and is thicker. It is composed of fresh rocks crossed by fractures in which groundwater exclusively flows with a very slow velocity, thus groundwater residence time in this zone is rather long (>40 y). In the fractured zone, groundwater is much more mineralized and often rich in iron, in Britany. The differences of flow velocities in the weathered and the fractured zones are responsible for contrasted chemical conditions in these two zones, but the influence of groundwater flow velocity on the microbial ecosystem in groundwater remains largely unexplored. This work shows hydrologic circulations influence the microbial community structuration in hard-rock aquifer groundwater at regional and local scales. Position of a groundwater along a hydrologic flowpath or a “hydrological loop” directly controls microbial community structure through the control of the successively available electron donors and acceptors. The analyzed microbial communities show a predominance of Betaproteobacteria. In recent groundwater (< 20y) thus particularly in the weathered zone, Betaproteobacteria are mainly Comamonadaceae and Oxalobacteraceae, which are generalists able to do denitrification. In old and isolated groundwater (> 40y) thus particularly in the fractured zone, Betaproteobacteria are mainly Gallionellaceae, which are microaerophilic iron-oxidizer. The predominance of Gallionellaceae in the fractured zone suggests a deep ecosystem based on iron oxidation. However, this process implies a minimal input of oxygen in the deeper part, for instance via mixing with recent oxygenated groundwater. Proportion of Gallionellaceae in the different analyzed groundwater shows a positive correlation with the degree of mixing between old and recent groundwater, up to a limit of 20% of recent groundwater. The temporal microbial community dynamics in a single aquifer, before and during the beginning of recharge, demonstrated in the weathered part very fluctuant chemical conditions and a shifting microbial community that remains always composed of numerous potential denitrifiers. In the fractured part, microbial community is dominated by Gallionellaceae and remains rather stable, despite the punctual but substantial changing of the chemical conditions and degree of mixing (up to 60% of recent groundwater) at the beginning of the recharge. Gallionellaceae seem thus able to resist to important and punctual chemical conditions changings. Groundwater in the deeper part of aquifers, even isolated, remains relatively connected to surface, likely allowing the deep microbial ecosystem to maintain.
Les aquifères de socle fracturés très répandus en Bretagne, constituent des formations géologiques hétérogènes renfermant des ressources en eau. Ces structures sont souvent constituées d'une zone altérée et d'une zone fracturée. La zone altérée est peu épaisse et proche de la surface, elle est constituée de roches altérées envahies par l'eau souterraine qui y circule rapidement des hauts topographiques du bassin versant vers l'exutoire. L'eau y présente des temps de résidence courts (<20 ans) et est souvent polluée par les nitrates. La zone altérée située plus en profondeur et plus épaisse est constituée de roches dures traversées par des fractures. L'eau circule exclusivement au travers de fractures et lentement, le temps de résidence de l'eau y est donc long (>40 ans). Dans cette zone, l'eau est plus minéralisée et souvent riche en fer en Bretagne. Ces différentes circulations d'eau, induisent des conditions chimiques contrastées dans les zones altérée et fracturée, mais leur effet sur l'écosystème microbien des eaux souterraines n'a jamais été exploré. Cette étude montre que les circulations hydrologiques influencent à l'échelle régionale et locale la structuration des communautés microbiennes au sein des eaux souterraines d'aquifères de socle. La position d'une eau souterraine le long des voies de circulations des eaux souterraines dites « boucles hydrologiques » contrôle directement la structure des communautés microbiennes via le contrôle de la succession des donneurs et accepteurs d'électrons disponibles. Les communautés microbiennes analysées montrent une prédominance de Nitrobacter. Dans l'eau souterraine récente (<20 ans) donc principalement dans la zone altérée, les Nitrobacter. sont surtout des Comamonadaceae et Oxalobacteraceae, microorganismes versatiles et capables de dénitrifier. Dans l'eau souterraine ancienne (>40 ans) et isolée donc dans la zone fracturée, ce sont en grande majorité des Gallionellaceae, microorganismes microaérophiles spécialisés dans l'oxydation du fer(II). La prédominance des Gallionellaceae dans la zone fracturée suggère un écosystème profond basé sur l'oxydation du fer(II). Cependant, ce processus suppose une arrivée minimale d'oxygène dans la partie profonde, via par exemple un mélange avec une masse d'eau récente oxygénée. La proportion de Gallionellaceae dans les différentes eaux analysées montre une corrélation positive avec le degré de mélange des eaux anciennes avec des eaux récentes, jusqu'à une limite de 20% d'eau récente. Le suivi temporel de la dynamique des communautés d'un aquifère avant et au début de la recharge a montré dans la zone altérée des conditions chimiques très fluctuantes et une communauté microbienne très changeante mais toujours constituée de nombreux potentiels dénitrifiants. Dans la zone fracturée, la communauté dominée par les Gallionellaceae est relativement stable, malgré des changements chimiques ponctuels substantiels et un degré de mélange transitoire important (jusqu'à 60% d'eau récente) au début de la recharge. Les Gallionellaceae semblent donc capables de résister à des changements ponctuels et importants des conditions chimiques. Les eaux souterraines de la partie profonde des aquifères, bien qu'isolées, restent relativement connectées à la surface ce qui permet probablement le maintien de l'écosystème microbien profond.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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