L’exploration (ou prospection) minérale a toujours été une entreprise risquée. Elle l’est encore plus aujourd’hui, alors que la découverte de nouveaux gisements minéraux est toujours plus difficile.

Avant que ne commence le forage d’exploration, les équipes de prospection mènent une série de levés, mêlant l’imagerie géophysique, l’échantillonnage géochimique, la détection à distance et la cartographie satellite, pour augmenter leurs chances de trouver des gisements de minéraux sous terre.

En quête de la prochaine étape dans la détection des ressources, les spécialistes en prospection minérale se tournent vers les microbes et le séquençage de l’ADN.

À l’Institute for Microbial Systems and Society (IMSS, l’institut pour les systèmes et la société microbiennes) de l’université de Regina, le cofondateur Andrew Cameron et son équipe de recherche se penchent sur la manière dont les micro-organismes pourraient servir à révéler la localisation de gisements de minéraux et aider à prioriser les zones à forer à l’avenir.

Ce domaine d’étude, connu sous le nom de géomicrobiologie, étudie les communautés microbiennes qui peuplent les sols. Les occurrences minérales interagissent souvent avec les roches et le sol environnants de manières qui peuvent influencer les communautés microbiennes locales. La recherche actuelle s’efforce de comprendre si de telles relations existent et si elles peuvent être appliquées à l’exploration, expliquait M. Cameron.

Le séquençage du profil ADN de ces communautés microbiennes à l’aide de technologies génétiques et génomiques modernes permet aux chercheurs de l’IMSS de cartographier les espèces et les communautés microbiennes sur des données géologiques pour commencer à déduire quels minéraux se trouvent en subsurface et où ils se trouvent.

Échantillonnage concret sur le terrain

Le concept visant à utiliser des communautés microbiennes dans les sols pour détecter la minéralisation sous terre circule dans les communautés universitaires depuis longtemps déjà, les premières études remontant aux années 1980.

Pour le laboratoire de recherche de M. Cameron, la première occasion de procéder à un essai sur le terrain à grande échelle s’est présentée en mai 2024, lorsque l’IMSS a fait équipe avec les petites sociétés d’exploration minérale Pan American Energy Corp. et Integral Metals Corp. pour mener un programme exhaustif de prospection et d’échantillonnage sur le terrain. La première partie du programme portait sur le projet Big Mack d’extraction de lithium de Pan American, situé à environ 80 kilomètres au nord de Kenora, en Ontario. La deuxième partie s’intéressait au projet Burntwood sur les éléments des terres rares (ÉTR) d’Integral, situé à environ 115 kilomètres au nord-est de Flin Flon, dans le Manitoba.

Le projet de recherche, intitulé Geomicrobiology for detecting rare metal deposits (La géomicrobiologie au service de la détection des gisements de métaux rares), vise à déterminer si les communautés microbiennes peuvent générer des cibles de forage pour les pegmatites contenant du lithium et les carbonatites contenant des ÉTR.

Dans le cadre de l’étude de terrain, l’IMSS a délégué sur place une équipe de huit étudiants et étudiantes de l’université de Regina pour qu’ils collectent une vaste gamme d’échantillons sur les sites des projets Big Mack et Burntwood. Ces échantillons incluaient la composition microbiologique des sols, ainsi que la composition chimique des sols, des roches et de la végétation.

« L’ensemble de données comportait plusieurs facettes », déclarait Jared Suchan, vice-président de l’exploration à Integral Metals Corp. et conseiller technique à Pan American Energy Corp.

L’objectif, expliquait-il, n’est pas de positionner la géomicrobiologie comme solution unique, mais comme un outil supplémentaire qui aidera à affiner les cibles de forage d’exploration et à éliminer les possibles faux positifs et négatifs dans les ensembles de données géochimiques et géophysiques, afin de restreindre les zones les mieux classées les plus susceptibles de générer de bons résultats en termes de présence de minéraux.

« La géomicrobiologie n’a pas vocation à devenir une solution miracle qui remplace les méthodes d’exploration classique, mais elle pourrait constituer un outil supplémentaire à disposition », indiquait M. Suchan. « Si l’on est déjà sur le terrain pour [collecter] des échantillons géochimiques, on peut recueillir un échantillon supplémentaire et tester les espèces microbiennes dans le sol, en plus de tester le reste. »

Les sites des projets Big Mack et Burntwood ont été sélectionnés pour cette première étude géomicrobienne car ils offraient des terrains d’essai contrôlés où les spécialistes de l’exploration avaient déjà une idée des zones minéralisées compte tenu des efforts d’exploration précédents.

« C’est important lorsque l’on s’aventure sur une nouvelle substance utile ou un nouveau terrain », expliquait M. Suchan. « Il est primordial d’avoir des endroits dont on connaît la composition, puis de profiler les communautés microbiennes à proximité des pegmatites contenant du lithium ou des carbonatites riches en ÉTR. »

L’équipe a délibérément recueilli des échantillons dans des zones de minéralisation connue et dans des zones où elle était « absolument certaine » qu’il n’y en avait aucune.

Quand on travaille avec des données microbiennes, il est essentiel d’établir ce contraste, que M. Suchan décrivait comme l’étape « d’étalonnage ». En effet, si les données provenant de techniques d’arpentage traditionnelles, telles que les levés géochimiques, se limitent aux éléments du tableau périodique, les ensembles de données microbiennes sont souvent gigantesques.

« La base de données est colossale. C’est un outil très puissant, mais également impressionnant si l’on ne sait pas ce que l’on cherche », expliquait M. Suchan. « L’étape d’étalonnage était vraiment importante, et c’est l’une des raisons pour lesquelles nous avons choisi les projets Big Mack et Burntwood comme points de départ. »

Au total, l’équipe a recueilli plus de 5 000 échantillons. Parmi eux figuraient 1 742 échantillons de sol, 1 101 échantillons de roches et 501 échantillons de végétaux destinés à une analyse géochimique, ainsi que 1 741 échantillons de sol destinés à une analyse géomicrobienne.

Le séquençage en laboratoire

Les échantillons de sol ont été homogénéisés en capsules pesant environ un gramme chacune. Ils sont arrivés au laboratoire de l’IMSS dans des refroidisseurs électriques pour préserver le contenu biologique. Ils ont ensuite été congelés, puis soumis à la méthode d’agitation avec des perles, un processus qui implique de placer l’échantillon et de petites perles dans un tube, et de les secouer rapidement afin de lyser les cellules bactériennes et fongiques puis de libérer le matériel génétique du sol.

Les chercheurs ont ensuite extrait l’ADN pur de la communauté microbienne contenue dans ce gramme de sol. À partir de là, l’échantillon peut être traité par l’une des deux approches de séquençage de l’ADN afin d’identifier les espèces présentes.

La première est une technique qualifiée de métagénomique ciblée (metabarcoding en anglais), qui amplifie et séquence un gène spécifique partagé par toutes les bactéries, expliquait M. Cameron. Ce gène agit comme un code-barres, ce qui permet aux chercheurs d’identifier les différentes espèces dans l’échantillon et leur abondance relative.

La métagénomique ciblée peut révéler des tendances telles qu’une espèce qui aime se loger dans des sols proches de pegmatites contenant du lithium, ou une autre qui, au contraire, évite invariablement les environnements riches en lithium. « Les deux sont très révélatrices », indiquait M. Cameron. En suivant ces tendances dans des centaines d’échantillons, expliquait-il, « on obtient des cartes thermiques très sophistiquées dans le paysage nous permettant de déterminer où les espèces présentant un intérêt sont abondantes ou épuisées. »

La puissance de l’ensemble de données s’étend au-delà d’organismes individuels, ajoutait-il. Chacun échantillon de sol offre aussi aux chercheurs un profil de communauté qui est son propre système et sa propre entité biologique.

Une équipe d’étudiants et étudiantes de l’université de Regina a recueilli des échantillons de sol dans les projets Big Mack et Burntwood. Avec l’aimable autorisation de Pan American Energy

M. Cameron expliquait qu’à mesure que se développent des outils statistiques et des capacités d’apprentissage automatique plus sophistiqués, les chercheurs peuvent chercher non seulement des espèces liées à certains minéraux, mais aussi des structures de communautés microbiennes en corrélation avec des types de sol ou des minéraux spécifiques. « C’est en réalité la communauté et sa manière de fonctionner ensemble dans ce gramme de sol qui nous apporte le plus d’informations », ajoutait-il.

La seconde technique de séquençage que pratique le laboratoire de l’IMSS s’appelle la métagénomique. Cette technique adopte une approche plus vaste dans laquelle les chercheurs séquencent l’intégralité de l’ADN dans l’échantillon, qui inclut autant les bactéries que les virus, les champignons, les végétaux et les racines.

Si la métagénomique ciblée est plus adaptée pour localiser avec précision les espèces, indiquait M. Cameron, la métagénomique permet aux scientifiques de chercher des gènes qui ont des fonctions connues dans cet échantillon de sol, par exemple des gènes présentant des tolérances particulières aux métaux.

En séquençant tous ces fragments de gènes, « nous pouvons former peu à peu une image fonctionnelle des actions de cette communauté de bactéries et de champignons ainsi que leurs nombreuses activités métaboliques, et commencer à prédire les relations entre organismes », expliquait M. Cameron.

Avec de tels ensembles de données, l’apprentissage automatique permet de détecter des tendances dans des centaines d’échantillons de sol que les humains pourraient ne pas déceler.

« Nous pouvons demander aux ordinateurs de chercher des tendances dans le sol que nous avons recueilli, lesquelles pourraient correspondre à certaines caractéristiques chimiques qui nous intéressent », indiquait M. Cameron. « Ceci améliorera l’efficacité prédictive. L’objectif de la recherche est de renforcer la capacité prédictive à dire que, si un échantillon présente tel ensemble d’enzymes, telles espèces et tel profil de communauté, alors il y a de grandes chances qu’il présente un intérêt pour le domaine de [l’exploration minérale] dans ou en dessous de cet échantillon de sol. »

Partenariat entre l’industrie et le monde universitaire

M. Cameron et Suchan reconnaissent que des projets de recherche en géomicrobiologie tels que ceux menés à Big Mack ou à Burntwood n’auraient pas été possibles sans la collaboration du monde universitaire et de l’industrie.

Comme le faisait remarquer M. Cameron, le financement est toujours difficile à obtenir pour les premières étapes de la recherche.

« Lorsque l’on essaie de comprendre des techniques nouvelles, les fonds sont rares pour les entreprises en démarrage dans le système de financement fédéral », déclarait-il. « Mais dès l’instant où l’on obtient un partenariat entre le milieu universitaire et l’industrie tels que celui-ci, des fonds plus importants peuvent certainement être débloqués. »

Le projet de recherche en collaboration a reçu un total de 828 700 dollars en 2024 et 2025 au titre des subventions Avantage du programme Alliance du conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), dont environ 82 000 dollars provenaient du programme Accélération de Mitacs.

Quant à M. Suchan, la valeur pour lui d’une collaboration avec des institutions universitaires réside dans la liberté d’expérimenter.

L’exploration minérale, selon lui, n’adopte pas toujours rapidement de nouveaux domaines scientifiques. « La géochimie et la géophysique sont les outils utilisés. Toutefois, il existe tout un domaine peu exploité où s’entrecoupent la géologie et la biologie », indiquait-il. « Une petite société minière comme la nôtre ne dispose pas des ressources nécessaires pour embaucher des biologistes, pour acquérir tout l’équipement et tester une nouvelle idée. C’est pourquoi un partenariat avec le monde universitaire est une solution exceptionnelle. »

En outre, faisait remarquer M. Cameron, un autre attrait pour lui en tant que chercheur portait sur l’ampleur des essais que permet un partenariat avec l’industrie.

L’écologie microbienne perfectionne les techniques de séquençage de l’ADN depuis des décennies. Toutefois, les essais sont généralement menés sur quelques dizaines d’échantillons à la fois, précisait M. Cameron. Les programmes de terrain de Big Mack et Burntwood, en revanche, ont collecté des centaines d’échantillons de sol et ont permis d’accéder à davantage de données pour améliorer les modèles.

« L’augmentation des capacités de calcul rend encore plus enthousiasmantes ces découvertes, car trois grandes choses convergent, à savoir l’accélération rapide de nos capacités génétiques, le besoin de davantage d’exploration minérale et les capacités de calcul qui ne cessent de s’améliorer pour gérer ce genre de données complexes », ajoutait M. Cameron.

La voie à suivre

La géomicrobiologie offre une approche novatrice à l’exploration minérale. Si une grande partie reste encore inconnue, MM. Cameron et Suchan pensent que c’est cette incertitude qui rend le projet si passionnant pour l’industrie et le monde universitaire.

L’équipe de recherche est en phase d’analyser les ensembles de données des programmes de terrain de Big Mack et Burntwood. « La quantité de données à intégrer est gigantesque, et il faut notamment y ajouter les données d’activités d’exploration antérieures sur les projets », expliquait M. Suchan.

Ils prévoient de publier leurs résultats à l’avenir, ainsi que d’évaluer de nouvelles possibilités pour tester la méthode d’exploration géomicrobienne pour de nouvelles matières premières et dans de nouveaux lieux. De fait, ce domaine devra se développer au travers d’essais répétés dans différentes régions et différents types de gisements.

« Nous ne savons pas si les mêmes espèces microbiennes fonctionneront pour chaque projet, mais il est fort probable que non », déclarait M. Suchan. « Nous devons continuer à mener de nouveaux projets, à [tester] de nouveaux lieux [et] de nouvelles variables, [car] c’est en menant des essais à grande échelle (qu’il s’agisse de diamants dans les Territoires du Nord-Ouest, de lithium en Ontario, d’ÉTR dans le Manitoba ou d’uranium en Saskatchewan) que nous transformerons ce créneau spécial que nous mettons à l’essai dans ce partenariat entre l’industrie et le monde universitaire [pour en faire] un domaine utilisable et concret. »

L’un des avantages de ces levés géomicrobiens, ajoutait-il, est que l’on peut facilement les inclure dans des programmes de terrain existants. La collecte d’un échantillon microbiologique de sol ne constitue « qu’un échantillon de plus », qui requiert uniquement certains équipements supplémentaires pour préserver l’échantillon ainsi que des protocoles pour prévenir la contamination croisée.

L’inclusion d’un tout autre ensemble de données pour mieux comprendre ce que cache la subsurface de la Terre pourrait présenter des avantages considérables. « En réduisant le nombre de trous et de tranchées nécessaires [pour l’exploration minérale], nous réduisons les coûts, nous préservons l’environnement, les avantages sont évidents pour les parties prenantes et les détenteurs de droits. C’est une situation gagnante pour toutes et tous », ajoutait M. Suchan.

Une autre force est que le travail de terrain est simple et direct. M. Suchan évoquait les programmes d’échantillonnage aux projets Big Mack et Burntwood, qui ont formé certains étudiants et étudiantes pour la première fois à une expérience sur le terrain afin de recueillir des échantillons. « Malgré la complexité finale, la collecte de données initiale [est quelque chose] que tout le monde peut faire avec un minimum de formation », indiquait-il.

À mesure que le domaine de la géomicrobiologie évolue et que davantage de données sont recueillies, M. Suchan indiquait qu’il espère voir émerger de grandes bases de données microbiennes qui permettraient aux chercheurs de se lancer dans un domaine totalement nouveau pour découvrir quelles espèces microbiennes ils doivent s’attendre à rencontrer sans avoir à effectuer de nouvelle étude d’étalonnage à chaque fois. Ou, ajoutait-il, il aimerait voir le développement de systèmes d’essai rapides sur le terrain pour certaines matières premières ou dans certaines régions pour obtenir des résultats rapides.

« Il s’agit d’un tout autre partenariat entre la biologie et la géologie. C’est un domaine tout récent, mais je suis convaincu que de grandes avancées sont à prévoir à mesure que nous multiplions nos recherches », concluait M. Suchan.

Traduit par Karen Rolland