Des connaissances approfondies sur la variation spatiale et temporelle de la diversité et de la fonction microbiennes sont nécessaires pour une meilleure compréhension des réponses écologiques et évolutives au changement global. En particulier, l'étude de l'ancien ADN microbien conservé dans les archives sédimentaires des lacs et des océans peut nous aider à évaluer les réponses des microbes aquatiques dans le passé et à faire des prédictions sur les changements futurs de la biodiversité dans ces écosystèmes. Les progrès récents des méthodes de génétique moléculaire appliquées à l'analyse de l'ADN historiquement déposé dans les sédiments ont non seulement permis l'identification taxonomique des communautés microbiennes aquatiques passées, mais également permis de retracer leur évolution et leur adaptation aux perturbations épisodiques et aux changements environnementaux progressifs. Néanmoins, certains défis demeurent pour que les scientifiques tirent pleinement parti du domaine en développement rapide de la paléogénétique, notamment la capacité limitée à détecter des taxons rares et à reconstruire des génomes complets pour des études évolutives. Ici, nous fournissons un bref examen de certaines des avancées récentes dans le domaine de la paléomicrobiologie environnementale et discutons des défis restants liés à l'application de méthodes de génétique moléculaire pour étudier la diversité microbienne, l'écologie et l'évolution dans les archives de sédiments. Nous prévoyons que, dans un avenir proche, la paléomicrobiologie environnementale apportera un nouvel éclairage sur les processus d'évolution du génome microbien et les réponses de l'écosystème microbien aux changements environnementaux du Quaternaire à un niveau de détail sans précédent. Ces informations peuvent, par exemple, contribuer aux reconstructions géologiques des cycles biogéochimiques et prédire les réponses des écosystèmes aux perturbations environnementales, y compris dans le contexte des changements globaux induits par l'homme.