Étude multi-approches des voiles bactériens du Paléoprotérozoïque (2,1 Ga, Gabon) : Biogénicité, minéralogie et biogéochimie

Abstract

The 2.1-billion-year old (Ga) Francevillian Series in Gabon has been intensively studied because of economic interests in their uranium and manganese ore deposits. This also promoted numerous scientific investigations to reconstruct the palaeoenvironments and palaeobiodiversity of the Francevillian basin. The sediments host the oldest reported macrofossils of various sizes and shapes, and traces left by motile organisms, highlighting the growing record of early complex forms in the Palaeoproterozoic. However, the microbial lifestyle, which emerged more than a billion and a half years before the Francevillian deposition, has been poorly described. Through a combination of analytical technics, a large diversity of mat-related structures (MRS) has been observed. These microbial communities were mainly built by oxyphototrophic Cyanobacteria that thrived in shallow water environments within the photic zone. Considering that these bacteria may have locally produced higher amount of oxygen than in the oxygen-stressed water column, this likely explained the widespread presence of advanced forms of life in the vicinity of MRS. The delicate bacterial structures were then analyzed for their mineralogical and geochemical compositions. A distinct potassium (K)-rich clay assemblage characterizes the MRS, but not the underlying host sandstone and black shale sediments. It suggests that the MRS trapped K+ from the seawater and released it into the pore waters during degradation of organic matter, resulting in K-rich clay neoformation. This confirms the microbially induced K enrichment in the geological rock record. However, the trace element (TE) content in the MRS does not reveal particular microbially mediated enrichments. The concentration of some TE in the MRS is higher relative to that of the host sediments, but physical environmental factors may overwhelm any potential biological signal. The local seawater redox data for the host sediments show that the depositional setting reflects fluctuations in redox conditions (oxic/suboxic). The organic carbon and bulk nitrogen isotopes between the bacterial structures and host sediments are mostly similar. The carbon isotope composition suggests the occurrence of secondary recycling of photosynthetically derived carbonaceous material, while the nitrogen systematic points to a nitrogen limitation by which the N2 fixers did not sufficiently replenish the nitrogen loss. The nitrogen fixation in the water column would have been transient and likely controlled by the ocean redox structure, whereas this metabolic pathway in the MRS is likely common to the realm of benthic mats over Earth’s history. Combined, these results underline the common occurrence of bacterial lifestyle in the Francevillian Series and reveal whether the microorganisms left typical biosignatures. The exceptional conservation of the MRS in association with the Gabonese macrofossils represents a unique marine ecosystem in the aftermath of the first significant rise of oxygen content in Earth’s atmosphere.La Série sédimentaire du Francevillien âgée de 2,1 milliards d’années du Gabon a fait l’objet de plusieurs investigations notamment à des fins économiques en lien avec les gisements uranifère et manganésifère. Ceci a également promu de nombreuses recherches pour reconstruire les paléoenvironnements et la paléobiodiversité du bassin de Franceville. Les sédiments abritent les plus anciens macrofossiles de tailles et de formes variées, ainsi que les traces laissées par des organismes mobiles, mettant en valeur l’enregistrement grandissant des formes primitives complexes et organisées au Paléoprotérozoïque. Cependant, le style de vie microbien, qui a émergé plus d’un milliard et demi d’années avant la sédimentation du Francevillien, a été peu décrit. Une étude multi-approches et pluridisciplinaire a révélé une grande diversité de structures liées aux voiles (MRS). Ces communautés microbiennes étaient principalement construites par des Cyanobactéries oxyphototrophiques qui ont prospéré dans des environnements peu profonds et dans la zone photique. Etant donné que ces bactéries peuvent avoir produit de grandes quantités d’oxygène très localement, ceci explique à priori la présence rependue de formes de vie avancées à proximité des MRS. Les structures fragiles bactériennes ont ensuite été analysées d’un point de vue minéralogique et géochimique. Les analyses montrent un assemblage minéralogique argileux riche en potassium (K) localisé dans les MRS mais inexistant dans les sédiments encaissants sous-jacents constitués de grès et d’argiles riches en matière organique (black shales). Cela suggère un piégeage des cations K+ par les MRS. Ce K, qui provient de l’eau de mer, a été ensuite relargué dans l’espace interstitiel pendant la dégradation de la matière organique, permettant ainsi la néoformation argileuse riche en K. Ceci confirme l’enrichissement potassique induit par des microbes. En ce qui concerne la teneur en éléments traces (TE) dans les MRS, aucun enrichissement en lien avec les microorganismes a été observé. La concentration de certains TE dans les MRS est plus élevée que celle du sédiment encaissant, mais des facteurs physiques environnementaux et non biologiques pourraient avoir causé ces enrichissements. Les données du redox local de l’eau de mer pour le sédiment encaissant montrent que le milieu de dépôt se traduit par des fluctuations des conditions redox (oxiques/suboxiques). Les signaux isotopiques du carbone organique et de l’azote de la roche totale sont similaires dans les structures bactériennes et le sédiment encaissant. La composition des isotopes du carbone suggère l’occurrence d'un recyclage secondaire d’un matériel carboné dérivé de la photosynthèse. Par ailleurs, les isotopes de l’azote indiquent une limitation azotée où les fixateurs de l’azote n’ont pas efficacement compensé la perte de ce dernier. La fixation de l’azote dans la colonne d’eau aurait été passagère et potentiellement contrôlée par la structure redox de l’océan, tandis que cette voie métabolique associée aux MRS est vraisemblablement commune au royaume des voiles benthiques à travers l’histoire de la Terre. L’ensemble de ces résultats soulignent la manifestation fréquente du mode de vie bactérien dans la série du Francevillien et révèlent si les microbes ont laissé des biosignatures spécifiques. La conservation exceptionnelle des MRS en association avec les macrofossiles du Gabon représente un écosystème marin unique à la suite de la première montée significative de la teneur en oxygène dans l’atmosphère terrestre