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Jul 29, 2023

Nature (2023)Citer cet article

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L’équilibre entre la dégradation et la préservation du carbone organique (CO) sédimentaire est important pour les cycles mondiaux du carbone et de l’oxygène1. L’importance relative des différents mécanismes et conditions environnementales contribuant à la préservation du CO sédimentaire marin reste cependant floue2,3,4,5,6,7,8. Des molécules organiques simples peuvent être géopolymérisées en formes récalcitrantes au moyen de la réaction de Maillard5, bien que la cinétique de réaction aux températures sédimentaires marines soit considérée comme lente9,10. Des travaux plus récents sur les systèmes terrestres suggèrent que la réaction peut être catalysée par les minéraux de manganèse11,12,13, mais le potentiel de promotion de la formation de CO géopolymérisé à des températures sédimentaires marines est incertain. Nous présentons ici des expériences d'incubation et constatons que les ions et minéraux de fer et de manganèse catalysent de manière abiotique la réaction de Maillard jusqu'à deux ordres de grandeur à des températures pertinentes aux marges continentales où se produit l'essentiel de la préservation4. De plus, la signature chimique des produits de réaction ressemble beaucoup au CO dissous et total trouvé dans les sédiments de la marge continentale à l’échelle mondiale. À l'aide d'un modèle d'eau interstitielle14, nous estimons que la transformation catalysée par le fer et le manganèse de molécules organiques simples en macromolécules complexes pourrait générer de l'ordre d'environ 4,1 Tg C an−1 pour la préservation dans les sédiments marins. Dans le contexte d’une variation peut-être seulement d’environ 63 Tg C an−1 dans la préservation organique sédimentaire au cours des 300 derniers millions d’années6, nous proposons que les apports variables de fer et de manganèse dans l’océan pourraient exercer un impact substantiel mais jusqu’ici inexploré sur la préservation mondiale du CO sur les plans géologiques. temps.

La préservation du carbone organique (CO) dans les sédiments marins au cours des temps géologiques nécessite que le CO échappe à la reminéralisation microbienne qui autrement le convertit en carbone inorganique dissous et/ou en dioxyde de carbone7. Ce principe est au cœur de tous les mécanismes de préservation du CO et exige que le CO soit intrinsèquement stable ou rendu stable contre la dégradation microbienne7. Cette dernière voie de préservation est le plus souvent associée à l’interaction de l’OC avec des matrices minérales4,8, mais d’autres voies peuvent également impliquer la transformation de l’OC de formes labiles à des formes récalcitrantes5. La réaction de Maillard15 est l'une de ces voies car elle peut polymériser n'importe quel sucre réducteur et acide aminé libre en composés aromatiques complexes (plus de 1 000 g mol-1) possédant des cycles N-substitués, des groupes fonctionnels carbonyle, carboxyle et aminé16 (Fig. 1 supplémentaire). Ces polymères aromatiques, que nous définissons comme substances géopolymérisées (GPS), sont trop gros pour être directement ingérés par les microbes et sont plus difficiles à hydrolyser en dehors de leurs cellules (si plus de 1 000 g mol−1) car ils ont des structures plus complexes et donc peuvent échapper à la reminéralisation microbienne17 et ainsi persister dans l’environnement sur de longues périodes.

Pour que la géopolymérisation apporte une contribution notable à la préservation du CO dans les sédiments marins, la cinétique de la réaction de Maillard doit entrer en compétition avec l'absorption microbienne ou la reminéralisation des sucres réducteurs et des acides aminés7. On pense cependant que la cinétique de la réaction de Maillard à des températures de sédiments marins (environ 10 °C)14 est extrêmement lente9,10. En conséquence, la géopolymérisation a été largement écartée en tant que mécanisme de préservation du CO et considérée comme n’ayant qu’une importance mineure pour l’enfouissement du CO dans les sédiments marins7,9,18. Des travaux plus récents montrent cependant que la réaction de Maillard peut être catalysée à des températures du sol (25 à 45 °C) par la birnessite minérale au manganèse11 et les argiles12, conduisant à une production accrue de substances humiques, qui ressemblent à celles que l'on trouve en abondance dans l'environnement du sol. De plus, dans les systèmes marins et terrestres, le cycle du CO est étroitement lié au cycle du Fe et du Mn dissous, ainsi qu'aux oxydes minéraux de Fe et de Mn (oxyhydr)13,19,20, ce qui suggère que ces formes réactives de Fe et de Mn peuvent se complexer avec les molécules d'OC, contribuant ainsi à protéger ces molécules de la reminéralisation et à les préserver pendant des centaines, voire des milliers d'années8,19. Même si Fe et Mn pourraient jouer un rôle important dans la transformation et la préservation du CO, le potentiel du Fe et du Mn à catalyser la réaction de Maillard et à favoriser la formation de CO géopolymérisé aux températures des sédiments marins n'a jamais été déterminé.