Les métaux comme traceurs de la vie primitive dans le registre sédimentaire: Cycles géochimiques des métaux de transitions et des métalloïdes dans les tapis bactériens modernes et archéens

Les métaux, essentiels pour tous les micro-organismes, sont bons traceurs de l’activité microbienne si on exclue les processus abiotiques (absorption passive par les biofilms ou remobilisation des métaux pendant la diagenèse). Les stromatolites présentes dans le registre sédimentaire depuis au moins 3,5 Ga et peuvent préserver des traces fossiles de l’activité microbienne. Je présente ici les résultats d’une étude de la distribution, des corrélations inter-élémentaires et de la spéciation des métaux traces et des métalloïdes dans des stromatolites modernes (Bahamas) et anciens (2,7 Ga, Australie) analysées à différentes échelles, du cm jusqu’au nm, par couplage de microfluorescence X par rayonnement synchrotron (SR-µXRF), d’absorption X par rayonnement synchrotron (SR-µXANES), de spectroscopie Raman et de microscopie confocale par balayage laser (CLSM). Les résultats montrent que la distribution des métaux est contrôlée par l’absorption passive dans le biofilm et par la remobilisation des métaux pendant la diagenèse et/ou le métamorphisme. Dans les stromatolithes modernes et archéens, des structures organiques ressemblant a des cellules montrent des enrichissements, spécifique en arsenic pas ou peu associés a d’autres métaux et ont été interprétées comme étant lié à une activité microbienne. Pour la première fois un lien entre la Terre primitive et les métabolismes de l’arsenic a pu être établi. Ainsi l’arséniate aurait pu être disponible dans l’environnement il y a 2,7 Ga, créant ainsi des niches écologiques où les procaryotes respirant l’As(V) auraient pu se développer plusieurs centaines de millions d’années avant l’oxygénation de la Terre. Les métaux, micronutriments essentiels pour tous les micro-organismes, sont potentiellement de bons traceurs de l’activité microbienne dans le registre sédimentaire si l’on est capableexclue d’exclure les processus de distinguer l’influence des micro-organismes sur la distribution et la spéciation des métaux de celle des processus abiotiques , tels que (l’absorption passive par les biofilms ou rla remobilisation des métaux et de la matière organique pendant la diagenèse et le métamorphisme). Les stromatolites présentes de façon continue dans le registre sédimentaire depuis au moins 3,5 milliard d’années (Ga) et ont la capacité de préserver des traces fossiles de l’activité microbienne. Je présente ici les résultats d’une étude de la distribution, des corrélations inter-élémentaires et de la spéciation des métaux traces et des métalloïdes dans des stromatolites modernes (Bahamas) et anciens (2,7 Ga, Australie) analysées à différentes échelles, duepuis le cm jusqu’au nm, par couplage de plusieurs méthodes analytiques comprenant la microfluorescence X par rayonnement synchrotron (SR-µXRF), l’absorption X par rayonnement synchrotron (SR-µXANES), la spectroscopie Raman et la microscopie confocale par balayage laser (CLSM).. Ces structures sont présentes de façon continue dans le registre sédimentaire depuis au moins 3,5 milliard d’années (Ga) et ont la capacité de préserver des traces fossiles de l’activité microbienne. Nous nous sommes intéressés aux stromatolites archéens de la formation de Tumbiana (2.72 Ga, Craton de Pilbara, Australie Occidentale) et à trois stromatolites modernes provenant des Bahamas (Storr’s lake, Big Pond Lake et Highborne Cay ; échantillons de Pieter Visscher et Christophe Dupraz). La distribution des métaux et de la matière organique dans les stromatolithes a été réalisée à différentes échelles, depuis le cm jusqu’au nm, par couplage de plusieurs méthodes analytiques comprenant la microfluorescence X par rayonnement synchrotron (SR-µXRF), l’absorption X par rayonnement synchrotron (SR-µXANES), la spectroscopie Raman et la microscopie confocale par balayage laser (CLSM). Cette approche couplée au traitement statistique des données permet de donner des contraintes sur l’origine et la remobilisation des métaux dans les stromatolithes modernes et anciens. Les résultats montrent que la distribution des métaux dans les stromatolithes est principalement contrôlée par des processus abiotiques qui peuvent être soit l’absorption passive par la matrice dudans le biofilm etm dans les stromatolithes vivants soit par la remobilisation et la concentration des métaux pendant la diagenèse et/ou le métamorphisme. Dans les stromatolithes modernes et archéens, Par ailleurs,dDes structures organiques ressemblant a des cellules montrent des enrichissements dans les stromatolithes modernes qu’archéens, un enrichissement spécifique ende l’arsenic pas dans des structures organiques ressemblant à des cellules a été identifié. Cet enrichissement, pas ou peu associés à celuia d’autres métaux. Ces structures ont, a été interprétées comme étant lié à une activité microbienne et . Bien que de nombreux organismes utilisant l’arsenic aient été décrits et que les études phylogénétiques montrent que les métabolismes de l’arsenic pourraient être apparus il y a plus de 3,4 Ga, c’est la première fois qu’un lien entre la Terre primitive et les métabolismes de l’arsenic a pu être établi. Ces résultats suggèrent aussi que l’arséniate aurait pu être disponible dans l’environnement il y a 2,7 Ga, créant ainsi des niches écologiques où les procaryotes respirant l’As(V) auraient pu se développer plusieurs centaines de millions d’années avant l’oxygénation de la Terre. Metals , which are widely used by all microorganisms, and could act as indicators of past microbial activity in the rock record but only if abiotic processes (passive metal absorption on biofilms or metal remobilization by diagenesis) and biologic processes (microbial activity) are distinguishedcan be excluded. Stromatolites ubiquitous in the rock record for the last 3.5Ga, representare excellent targets for investigating the behaviour of trace metals during these processes. if we are able to distinguish between the influence of microorganisms on metal distribution and abiotic processes such as passive metal absorption on biofilms or metal remobilization caused by diagenesis (± metamorphism). Here I present the results of the study of the distribution, inter-element correlation and speciation of trace metals and metalloids in modern (The Bahamas) and ancient stromatolites (2.7 Ga, Australia) at different scales, from the cm- to the nm-scale using a combination of Synchrotron Radiation X-ray Microfluorecence (SR-µXRF), Synchrotron Radiation X-ray Absorption Near-Edge Structure (SR-µXANES), Raman spectroscopy and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM).. These structures, ubiquitous in the rock record for the last 3.5Ga, have the potential to preserve biosignatures and represent excellent targets for investigating the behaviour of trace metals attending microbial activity and diagenesis. The study focuses on the 2.7Ga old stromatolites from the Tumbiana Formation (Western Australia) and three modern stromatolites from the Bahamas (Storr’s Lake, Big Pond and Highborne Cay, courtesy of Pieter Visscher and Christophe Dupraz). Metal and organic matter distribution and organisation were investigated at different scales, from the cm- to the nm-scale, in 2.7Ga old stromatolites (Western Australia) and three modern stromatolites (The Bahamas) using a combination of Synchrotron Radiation X-ray Microfluorecence (SR-µXRF), Synchrotron Radiation X-ray Absorption Near-Edge Structure (SR-µXANES), Raman spectroscopy and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM). This analytical approach coupled with statistical treatment by Principal Component Analysis can provide constraints on the origin and remobilization of metals in modern and ancient microbial mats. Results show that the distribution of metals in stromatolite is mainly governed by abiotic processes through passive absorption by the EPS in the living mats and remobilization and concentration as nugget-type features through diagenesis and metamorphism attending burial. Both in the modern and Archean stromatolites, cell-like organic globules were identified, which significant enrichments in arsenic, with no, or only negligible contributions from other metals (specifically Fe). These As-bearing organic globules were interpreted as biological in origin and it is the first time that a link between As-based metabolism and the primitive Earth is identified. n. Although As-based metabolisms have been described in different environments and phylogenetic studies indicate that microbial arsenic metabolism is ancient and may have emerged prior to the Archaea/Bacteria split more than 3.4 billion years ago, it is the first time that a link between As-based metabolism and the primitive Earth is identified. These findings also suggest that arsenate was available in the environment at least 2.7 billion Ga years ago, thus providing niches for As(V)-respiring prokaryotes several hundred millions of years before the great oxygenation event oxygen became a permanent part of the atmosphere and shallow oceans.