Comment les microorganismes influencent-ils l’hydrogène naturel dans le sous-sol ?
En seulement neuf jours, une bactérie sulfato-réductrice a consommé 32,9 % de l’hydrogène présent dans un micromodèle poreux en silicium lors d’une expérience en laboratoire [4]. Réalisé dans des conditions favorables à l’activité microbienne, ce résultat ne représente pas directement le comportement d’un réservoir naturel, mais il illustre l’influence que certains microorganismes peuvent exercer sur les gaz du sous-sol.
L'hydrogène naturel, aussi appelé hydrogène géologique ou hydrogène blanc, suscite un intérêt croissant comme ressource énergétique potentielle à bas carbone. Sa présence et son évolution dans le sous-sol résultent de l’interaction entre plusieurs processus géologiques, chimiques et biologiques. Les micro-organismes font partie de ce système : selon les conditions environnementales, ils peuvent produire, consommer ou transformer de l'hydrogène au sein des formations géologiques.
D’où vient l’hydrogène naturel dans le sous-sol ?
L’hydrogène naturel est produit dans la croûte terrestre sans intervention humaine. Sa formation peut résulter de plusieurs mécanismes et se produire dans une grande diversité d’environnements géologiques, notamment les systèmes volcaniques et géothermiques, les roches ultramafiques et les complexes ignés alcalins.
La formation de l’hydrogène dans le sous-sol repose sur deux grandes familles de mécanismes : les processus abiotiques, qui résultent de réactions physiques ou chimiques sans intervention du vivant, et les processus biotiques, qui dépendent de l’activité de microorganismes [1].
Les mécanismes abiotiques sont particulièrement étudiés puisqu’ils peuvent produire de l’hydrogène dans différents environnements géologiques et sur de longues périodes. Parmi les mécanismes abiotiques les plus connus et les plus étudiés figurent :
La serpentinisation, qui correspond à un ensemble de réactions entre l’eau et certaines roches riches en fer et en magnésium. Ces transformations modifient les minéraux présents dans la roche et peuvent libérer de l’hydrogène [1].
La radiolyse de l’eau, qui se produit lorsque les rayonnements émis par la désintégration d’éléments radioactifs, comme l’uranium, le thorium ou le potassium, dissocient les molécules d’eau et contribuent à la formation d’hydrogène [1].
Les processus biotiques suivent une dynamique différente. Dans les milieux où les conditions sont compatibles avec la vie, certains microorganismes peuvent eux aussi participer à la production d’hydrogène par diverses voies métaboliques [1]. Leur rôle ne se limite toutefois pas à cette production, puisqu’ils peuvent également consommer ou transformer l’hydrogène présent dans les formations géologiques. Ces interactions seront abordées plus en détail dans les sections suivantes.
Tableau 1 — Principales sources d’hydrogène naturel dans le sous-sol
| Processus | Type | Contexte géologique associé |
|---|---|---|
| Serpentinisation | Abiotique | Roches mafiques et ultramafiques |
| Radiolyse de l'eau | Abiotique | Socle cristallin et sédiments contenant des éléments radioactifs |
| Fermentation microbienne | Biotique | Milieux souterrains contenant suffisamment de carbone organique |
| Fixation de l'azote | Biotique | Milieux oxiques ou anoxiques |
Source : Données tirées de Gregory et al. (2019) [1]
Une biosphère souterraine active malgré des conditions contraignantes
Le sous-sol profond n’est pas un milieu stérile. Malgré une disponibilité limitée en nutriments et des conditions parfois difficiles, des communautés microbiennes vivent dans les fractures rocheuses, les aquifères et d’autres formations souterraines. Leur activité est favorisée lorsque certaines réactions chimiques peuvent leur fournir de l’énergie. Dans ces environnements, l’hydrogène naturel peut notamment agir comme donneur d’électrons, c’est-à-dire comme une source d’énergie pour certains microorganismes [1].
Une étude menée dans 14 aquifères de l’Alberta, à partir de 138 échantillons d’eau souterraine, illustre cette relation entre géologie et microbiologie. Les analyses ont révélé des communautés microbiennes diversifiées et productives, y compris dans des eaux souterraines anciennes. Elles indiquent également que l’hydrogène constitue une source d’énergie importante pour plusieurs de ces communautés [5].
Ces observations montrent que l’hydrogène généré dans le sous-sol peut aussi être intégré aux processus biologiques. Selon les conditions du milieu et les microorganismes présents, il peut ensuite être consommé ou transformé par différents métabolismes microbiens.
Pour aller plus loin : "Hydrogène naturel : quelle est la différence entre un flux diffus en surface et un réservoir géologique piégé ?"
Comment les microorganismes consomment-ils l’hydrogène du sous-sol ?
Dans le sous-sol, l’hydrogène naturel peut devenir une source d’énergie pour différents microorganismes. Son faible potentiel d’oxydoréduction lui permet d’agir comme donneur d’électrons dans plusieurs réactions biologiques. Même à faible concentration, il peut soutenir divers métabolismes lorsqu’un accepteur d’électrons approprié est disponible [1].
Les principaux métabolismes hydrogénotrophes comprennent :
la méthanogenèse, qui transforme H₂ et CO₂ en méthane ;
l’acétogenèse, qui produit de l’acétate à partir de H₂ et de CO₂ ;
la réduction du sulfate, pouvant générer du sulfure d’hydrogène (H₂S), ainsi que d’autres voies comme la réduction du fer(III) ou la dénitrification [1].
Dans les milieux profonds pauvres en nutriments, ces microorganismes peuvent entrer en compétition pour une quantité limitée d’hydrogène. Leur activité varie donc selon les conditions géochimiques et les communautés présentes.
Des pertes mesurables en laboratoire
Dans un micromodèle poreux en silicium, une bactérie sulfato-réductrice a fait diminuer la saturation en H₂ gazeux de 29,4 % après deux jours, contre 3,7 % dans le témoin stérile [4]. Ces résultats, obtenus dans des conditions favorables à l’activité microbienne, ne peuvent toutefois pas être extrapolés directement à un réservoir réel.
Des essais sur des saumures prélevées dans des sites européens de stockage ont aussi révélé une perte rapide d’hydrogène dans plusieurs échantillons de réservoirs poreux. À l’inverse, la majorité des saumures de cavernes salines présentaient une activité négligeable après douze mois. La consommation était le plus souvent liée à la méthanogenèse [3].
Le rôle des archées méthanogènes
Les archées méthanogènes utilisent l’hydrogène et le CO₂ pour produire du méthane. Dans plusieurs sites du bassin de Vienne, les archées représentaient de 20 à 58 % des communautés détectées dans les eaux souterraines, les méthanogènes étant le groupe dominant. Certains échantillons provenant des installations de surface atteignaient jusqu’à 87 % de méthanogènes [2].
Cette conversion peut réduire la quantité d’hydrogène récupérable. Le même mécanisme est aussi étudié dans les technologies Power-to-Methane, où l’hydrogène et le CO₂ sont transformés biologiquement en méthane [2].
Les microorganismes peuvent aussi produire de l'hydrogène
La relation entre les microorganismes et l'hydrogène souterrain n'est pas à sens unique. Si certains microbes consomment ce gaz, d'autres en produisent, contribuant ainsi au cycle global de l'hydrogène dans les formations géologiques.
Les voies métaboliques de production microbienne d'hydrogène
Les microorganismes sont capables de produire de l'hydrogène par plusieurs voies métaboliques distinctes :
Fermentation de matière organique
Fixation de l'azote atmosphérique
Oxydation anaérobie du monoxyde de carbone
Oxydation du phosphite [1]
La production microbienne d’hydrogène fait généralement intervenir des hydrogénases. La production de H₂ est notamment associée aux [FeFe]-hydrogénases, typiques de nombreuses bactéries anaérobies et de certains eucaryotes, bien que certaines [NiFe]-hydrogénases puissent également participer à sa production [1].
La fermentation de matière organique est particulièrement importante dans les environnements souterrains où le carbone organique est suffisamment présent. Toutefois, l'hydrogène produit par fermentation est généralement un composé transitoire : il doit être rapidement éliminé pour que la fermentation puisse se poursuivre, car son accumulation inhibe le processus lui-même [1]. Autrement dit, la production microbienne d'hydrogène dépend souvent d'autres microorganismes pour consommer ce gaz au fur et à mesure.
La microbiologie dans l’exploration et l’évaluation de l’hydrogène naturel
La microbiologie du sous-sol peut influencer le devenir de l’hydrogène dans les formations géologiques. Certains microorganismes peuvent le consommer, le transformer ou modifier les conditions du milieu, ce qui peut affecter la quantité de gaz disponible, sa composition et certaines propriétés du réservoir.
Les connaissances actuelles proviennent principalement d’études sur le stockage souterrain d’hydrogène injecté. Elles montrent toutefois pourquoi l’activité microbienne constitue aussi un paramètre pertinent à considérer lors de l’évaluation des accumulations naturelles.
Des effets possibles sur les réservoirs
Selon les conditions géochimiques et les communautés présentes, l’activité microbienne peut notamment entraîner :
une diminution de la quantité d’hydrogène disponible par consommation biologique ;
une modification potentielle de l’injectivité ou de la mouillabilité lorsque la croissance microbienne influence les pores et les surfaces rocheuses ;
une altération de la composition du gaz par la production de sulfure d’hydrogène (H₂S), pouvant dégrader la qualité du gaz; les bactéries sulfato-réductrices sont également associées à des risques de corrosion microbiologiquement influencée [2][4].
Ces effets ne se manifestent pas de la même manière dans tous les environnements. Leur importance dépend notamment de la température, de la composition des fluides, de la disponibilité des nutriments et des microorganismes présents.
Conclusion: Une contrainte, mais aussi un potentiel
La présence de microorganismes ne constitue pas uniquement un facteur à surveiller. Certaines communautés peuvent aussi participer à des transformations utiles. Les méthanogènes, par exemple, convertissent l’hydrogène et le CO₂ en méthane, un mécanisme étudié dans les technologies Power-to-Methane [2].
Plus largement, la microbiologie du cycle de l’hydrogène intéresse aussi le stockage du carbone, le stockage de gaz énergétiques et d’autres usages du sous-sol [1]. Elle représente donc un élément important pour mieux comprendre l’évolution de l’hydrogène dans les formations géologiques et les interactions entre processus biologiques et géochimiques.
Note : Cet article est présenté à des fins d’information et de vulgarisation. Les données et résultats scientifiques mentionnés proviennent des sources citées et ne constituent pas des travaux de recherche réalisés par Squatex.
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Références
[1] Gregory, Simon P., et al. "Subsurface Microbial Hydrogen Cycling: Natural Occurrence and Implications for Industry." Microorganisms, vol. 7, no. 2, 2019, p. 53. MDPI, https://doi.org/10.3390/microorganisms7020053.
[2] Hanišáková, Nikola, et al. "Microbiological Insight into Various Underground Gas Storages in Vienna Basin Focusing on Methanogenic Archaea." Frontiers in Microbiology, vol. 14, 2023, article 1293506. Frontiers Media SA, https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1293506.
[3] Černá, K., et al. "Assessment of Potential Microbial Hydrogen Consumption in European Hydrogen Underground Storage Sites." Sixth EAGE Global Energy Transition Conference & Exhibition Proceedings, 2025, pp. 1-5. European Association of Geoscientists and Engineers, https://doi.org/10.3997/2214-4609.202521032.
[4] Liu, Na, et al. "Pore-Scale Study of Microbial Hydrogen Consumption and Wettability Alteration During Underground Hydrogen Storage." Frontiers in Energy Research, vol. 11, 2023, article 1124621. Frontiers Media SA, https://doi.org/10.3389/fenrg.2023.1124621.
[5] Ruff, S. Emil, et al. “Hydrogen and Dark Oxygen Drive Microbial Productivity in Diverse Groundwater Ecosystems.” Nature Communications, vol. 14, 2023, article 3194. https://doi.org/10.1038/s41467-023-38523-4.
