Microbial communities in the deep subsurface

Abstract

 The diversity of microbial populations and microbial communities within the earth's subsurface is summarized in this review. Scientists are currently exploring the subsurface and addressing questions of microbial diversity, the interactions among microorganisms, and mechanisms for maintenance of subsurface microbial communities. Heterotrophic anaerobic microbial communities exist in relatively permeable sandstone or sandy sediments, located adjacent to organic-rich deposits. These microorganisms appear to be maintained by the consumption of organic compounds derived from adjacent deposits. Sources of organic material serving as electron donors include lignite-rich Eocene sediments beneath the Texas coastal plain, organic-rich Cretaceous shales from the southwestern US, as well as Cretaceous clays containing organic materials and fermentative bacteria from the Atlantic Coastal Plain. Additionally, highly diverse microbial communities occur in regions where a source of organic matter is not apparent but where igneous rock is present. Examples include the basalt-rich subsurface of the Columbia River valley and the granitic subsurface regions of Sweden and Canada. These subsurface microbial communities appear to be maintained by the action of lithotrophic bacteria growing on H₂ that is chemically generated within the subsurface. Other deep-dwelling microbial communities exist within the deep sediments of oceans. These systems often rely on anaerobic metabolism and sulfate reduction. Microbial colonization extends to the depths below which high temperatures limit the ability of microbes to survive. Energy sources for the organisms living in the oceanic subsurface may originate as oceanic sedimentary deposits. In this review, each of these microbial communities is discussed in detail with specific reference to their energy sources, their observed growth patterns, and their diverse composition. This information is critical to develop further understanding of subsurface geochemical processes and to develop new approaches to subsurface remediation.

Résumé

La diversité des populations et des communautés microbiennes dans le sol et le sous-sol est présentée dans cet article. Les chercheurs s'interrogent fréquemment sur la diversité microbienne du sous-sol, sur les interactions entre organismes et sur les mécanismes qui permettent le maintien des communautés microbiennes souterraines. Il existe des communautés microbiennes anérobies hétérotrophes dans des grès ou dans des sédiments sableux relativement perméables, à proximité de dépôts riches en matières organiques. Ces micro-organismes semblent se maintenir grâce à la consommation de composés organiques provenant des dépôts organiques voisins. Les sources de matériel organique jouant le rôle de donneur d'électrons sont constituées par des sédiments éocènes riches en lignite situés sous la plaine littorale du Texas, les schistes riches en matières organiques du Crétacé du sud-ouest des États-Unis, ainsi que les argiles contenant des matériaux organiques et des bactéries de fermentation de la plaine littorale atlantique. En outre, il existe des communautés fortement diversifiées dans des régions où aucune source de matière organique n'existe, mais où sont présentes des roches ignées. Le sous-sol riche en basalte de la vallée de la Columbia au Canada et les régions granitiques de Suède en sont des exemples. Ces communautés microbiennes souterraines semblent se maintenir par l'action de bactéries lithotrophes se développant grâce à l'hydrogène qui est produit par réactions chimiques dans le sous-sol. Il existe d'autres communautés microbiennes de profondeur dans les sédiments profonds des océans. Ces systèmes sont souvent associés à un métabolisme anérobie et à une réduction des sulfates. La colonisation microbienne s'étend jusqu'à des profondeurs où les températures élevées limitent leur capacité de survie. Les sources d'énergie pour ces organismes vivant dans les fonds des océans peuvent être les dépôts sédimentaires océaniques. Dans cette revue, chacune des communautés microbiennes est discutée en détail en se référant spécifiquement à leurs sources d'énergie, au schéma observé de leur développement et à leur composition diversifiée. Cette information est donnée de façon critique dans le but d'améliorer la compréhension des processus géochimiques intervenant dans le sous-sol et de développer de nouvelles approches pour la dépollution souterraine.

Resumen

En este artículo se resume la diversidad de las poblaciones y comunidades microbianas en el subsuelo. A partir de exploraciones realizadas en el subsuelo, los científicos se están cuestionando en la actualidad aspectos relativos a la diversidad microbiana, las interacciones entre los distintos microorganismos y los mecanismos para el mantenimiento de las comunidades de microbios. Se ha comprobado la presencia de comunidades microbianas anaerobias y heterótrofas en areniscas relativamente permeables y en sedimentos arenosos ubicados cerca de depósitos ricos en materia orgánica, de la cual se alimentan. Algunas fuentes de material orgánico, que actúan como donantes de electrones, son: sedimentos del Eoceno ricos en lignito, bajo la planicie costera de Texas; pizarras del Cretácico ricas en materia orgánica, al sudoeste del país; y arcillas cretácicas con materia orgánica y bacterias fermentativas, en la llanura Atlántica. También existen comunidades microbianas de gran diversidad en rocas ígneas, aunque la fuente de materia orgánica no es tan evidente. Algunos ejemplos son la subsuperficie del valle del Río Columbia, rico en basaltos, y las regiones graníticas de Suecia y Canadá. Estas comunidades microbianas subsuperficiales se mantienen por la acción de bacterias litotrópicas, que crecen en ambiente de H₂, generado en la subsuperficie. También existen comunidades microbianas a gran profundidad, como por ejemplo en los sedimentos oceánicos. Estos sistemas subsisten con un metabolismo anaerobio en un ambiente sulfato-reductor. La colonización microbiana se extiende hasta profundidades tales que las altas temperaturas limitan su supervivencia. Las fuentes de energía para estos organismos pueden ser los depósitos sedimentarios oceánicos. En este artículo se discute cada una de estas comunidades en detalle, en particular sus fuentes de energía, su esquema de crecimiento y la diversidad de su composición. Esta información es de gran interés para permitir un mayor entendimiento de los procesos geoquímicos en profundidad y para desarrollar nuevos métodos de rehabilitación.