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Jun 01, 2023

Signatures isotopiques du fer stables particulièrement faibles dans les sédiments marins profonds causées par la distillation de Rayleigh

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 10281 (2023) Citer cet article 467 Accès aux détails des mesures La réduction dissimilatoire du fer (DIR) est suggérée comme étant l'une des premières formes d'infection microbienne.

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10281 (2023) Citer cet article

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La réduction dissimilatoire du fer (DIR) serait l’une des premières formes de respiration microbienne. Il joue un rôle important dans le cycle biogéochimique du fer dans les sédiments modernes et anciens. Étant donné que le cycle microbien du fer s’accompagne généralement d’un fractionnement isotopique du fer, les isotopes stables du fer sont utilisés comme traceurs de l’activité biologique. Nous présentons ici des données sur les isotopes du fer pour les bassins de fer sédimentaires dissous et extraits séquentiellement à partir de sédiments sous-marins profonds et chauds récupérés dans la fosse de Nankai au large du Japon. Le fer dissous (Fe(II)aq) est isotopiquement léger dans tout l'intervalle des sédiments ferrugineux, mais certains échantillons ont des valeurs isotopiques exceptionnellement légères. De telles valeurs de luminosité n’ont jamais été signalées dans des environnements marins naturels et ne peuvent être attribuées uniquement au DIR. Nous montrons que les valeurs des isotopes légers sont mieux expliquées par un modèle de distillation de Rayleigh dans lequel le Fe(II)aq est continuellement éliminé de l'eau interstitielle par adsorption sur les surfaces d'(oxyhydr)oxyde de fer. Alors que la libération de Fe(II)aq à médiation microbienne a cessé en raison d'une augmentation de la température au-delà du seuil des micro-organismes mésophiles, l'élimination par adsorption abiotique du Fe(II)aq s'est poursuivie, conduisant à des valeurs d'isotopes légers uniques. Ces découvertes ont des implications importantes pour l’interprétation des données sur les isotopes du fer dissous, en particulier dans les sédiments profonds des fonds marins.

Le fer (Fe), l’un des éléments les plus abondants sur Terre, est un élément sensible au redox qui se présente principalement sous forme de Fe ferreux (II) et ferrique (III). Les micro-organismes acquièrent de l'énergie en réduisant ou en oxydant le Fe entre les états rédox/oxydation Fe(II) et Fe(III)1. Ces réactions sont fortement liées aux cycles des éléments du carbone et du soufre, imposant ainsi un moteur important des cycles biogéochimiques mondiaux. La réduction dissimilatoire du Fe (III) (DIR) fait partie des premières voies métaboliques microbiennes sur Terre, et les micro-organismes réducteurs de Fe (III) pourraient être des habitants clés de la biosphère profonde et chaude 2,3. La biosphère profonde fait ici référence aux sédiments marins situés à plus de 5 m de profondeur sous le fond marin (mbsf) et s'étend sur plusieurs centaines, voire milliers de mètres, dans le fond marin4.

Les analyses des isotopes stables du fer sont largement appliquées pour tracer et déchiffrer les sources, les voies de transport et de réaction du Fe dans les environnements marins5,6,7,8,9,10. Le rapport des deux isotopes de Fe les plus abondants (54Fe et 56Fe), communément exprimé par δ56Fe (‰), peut fournir des informations précieuses sur le cycle biogéochimique du Fe et peut être utilisé comme indicateur des processus à médiation microbienne dans les sédiments marins modernes et anciens11, 12,13. Un fractionnement isotopique notable du Fe se produit au cours des processus redox14,15,16. Le fractionnement le plus prononcé, allant jusqu'à − 3‰, par rapport à la composition isotopique moyenne des roches ignées (δ56Fe = 0,09 ± 0,05‰, 1SD réf.17) est provoqué par un échange couplé d'électrons et d'atomes de Fe entre Fe(II) et Fe. (III) sur les surfaces d'oxyde de Fe pendant DIR15,16. Étant donné que les microbes consomment préférentiellement le 54Fe plutôt que le 56Fe, le Fe dissous respectif (Fe(II)aq) est isotopiquement léger tandis que le Fe(III) résiduel s'enrichit progressivement en 56Fe isotopiquement lourd5,16,18. Les isotopes du fer se fractionnent également au cours de processus abiotiques, notamment l'adsorption du Fe(II)aq sur les surfaces minérales (adsorption préférentielle du 56Fe isotopiquement lourd)15,16,19 ou la précipitation des minéraux de Fe (le fractionnement dépend du fait que la réaction soit contrôlée cinétiquement ou en équilibre)14,20,21,22. Alors que plusieurs études se sont concentrées sur le fractionnement isotopique du Fe au début de la diagenèse dans des sédiments peu profonds (<5 mbsf)6,18,23, aucun enregistrement isotopique n'existe jusqu'à présent pour le Fe dissous dans les sédiments profonds des fonds marins (> 5 mbsf).

Ici, nous étudions des échantillons d'eau interstitielle et de phase solide qui ont été collectés lors de l'expédition 370 du Programme international de découverte des océans (IODP) à partir d'un trou de 1 180 m de profondeur (site C0023) foré dans la fosse de Nankai au large du cap Muroto, au Japon. Des températures allant jusqu'à 120 °C à l'interface sédiment-socle et un flux thermique élevé caractérisent le site C0023 (réf.24). Le but de l’expédition était d’explorer la limite de température de la vie microbienne et d’identifier les signatures géochimiques et microbiennes qui différencient les domaines biotique et abiotique25. Le Fe dissous a été détecté principalement dans un intervalle caractérisé par des quantités élevées de couches de cendres volcaniques (Fig. 1a) 25, ce qui suggère que les cendres volcaniques fournissent des minéraux réductibles qui stimulent la réduction microbienne du Fe et la libération de Fe (II) aq. Pour évaluer le rôle des couches de cendres et la disponibilité des phases de Fe pour les processus biogéochimiques dans la biosphère profonde et chaude, nous avons effectué des extractions séquentielles de phases réactives de Fe sur des cendres volcaniques discrètes et des échantillons de boue environnante18,26. Les sédiments du site C0023 étant déjà consolidés25, nous utilisons dans la suite le terme « mud rock ». En combinant les analyses δ56Fe de l’eau interstitielle et du Fe extrait, un autre objectif était de déterminer si la composition isotopique du Fe en phase solide dissoute et réactive est indicative d’une réduction microbienne du Fe. Nous avons émis l’hypothèse que des valeurs négatives de δ56Fe dans l’eau interstitielle constitueraient un argument solide en faveur de processus microbiens. Cependant, nous trouvons des valeurs extrêmement faibles de δ56Fe dans l’eau interstitielle qui ne sont probablement pas causées par la seule réduction microbienne du Fe. Comme explication la plus probable de cette découverte, nous présentons un modèle de distillation de Rayleigh qui inclut l'adsorption de Fe(II)aq sur des surfaces d'oxyde de Fe (oxyhydr).