Le manganèse dans tous ses états

Cette découverte vient modifier la compréhension qu’ont les scientifiques des phénomènes chimiques qui contrôlent le comportement et l’abondance du manganèse et d’autres éléments, comme l’oxygène et le carbone, dans les milieux naturels. Substance nutritive essentielle à la plupart des organismes, le manganèse participe à la production d’oxygène par les plantes pendant la photosynthèse.

« Nous négligeons souvent l’importance du manganèse, mais sans lui, l’oxygène moléculaire que nous respirons n’existerait pas », affirme George Luther, coauteur de l’étude et professeur d’océanographie à l’École des sciences et des politiques maritimes de la Faculté des sciences de la Terre, des océans et de l’environnement de l’Université du Delaware.

On trouve trois formes de manganèse dans l’environnement : le manganèse (II), le manganèse (III) et le manganèse (IV), la différence résultant de l’état d’oxydation ou du nombre d’électrons dans l’atome. Lorsque les éléments perdent ou gagnent un électron, il se produit une réaction d’oxydoréduction, comme dans le cas du fer qui se transforme en rouille après avoir perdu des électrons au contact de l’oxygène dans l’air.

Le manganèse, qui vient au deuxième rang des métaux les plus répandus dans la croute terrestre, passe rapidement d’un état d’oxydation à l’autre lorsqu’il réagit avec d’autres éléments dans l’environnement.

Les scientifiques ont toujours cru que le manganèse (II) dissous et le manganèse (III, IV) solide prédominaient dans les milieux aquatiques. Toutefois, il y a quelques années, le professeur Luther a découvert la présence de manganèse (III) sous forme dissoute dans une « zone de transition » de la mer Noire, un endroit où les taux d’oxygène sont relativement élevés près de la surface, mais diminuent graduellement avec la profondeur de l’eau.

Soupçonnant que cette forme intermédiaire de manganèse n’était pas confinée aux conditions inhabituelles de cette région de la mer Noire, le professeur Luther et ses collègues canadiens Alfonso Mucci, de l’Université McGill, et Bjørn Sundby, professeur à l’Université du Québec à Rimouski et professeur adjoint à McGill, ont mis le cap sur l’estuaire maritime du Saint-Laurent, à l’est de Tadoussac et du fjord du Saguenay. Dans le cadre de travaux antérieurs, Alfonso Mucci, professeur de géochimie et d’océanographie au Département des sciences de la Terre et des planètes de l’Université McGill, avait attiré l’attention sur la désoxygénation des eaux de fond de l’estuaire du Saint-Laurent.

« Les sédiments de l’estuaire sont particulièrement riches en oxydes de fer et de manganèse », souligne le professeur Mucci, « [...] et nous disposons de trente ans de données sur le manganèse et géochimiques dans le Saint-Laurent ». Cette région convenait donc particulièrement bien aux travaux des chercheurs.

Les scientifiques ont prélevé des échantillons des fonds océaniques où, dans les quelques premiers centimètres de la couche sédimentaire, se trouve également une zone de transition caractérisée par une diminution des taux d’oxygène. Andrew Madison, auteur principal de l’article publié dans la revue Science et ancien doctorant du professeur Luther, a eu recours à une nouvelle technique permettant de distinguer les diverses formes de manganèse.

Les résultats qu’il a obtenus ont révélé que le manganèse (III) constituait jusqu’à 90 pour cent du manganèse total dissous dans les sites expérimentaux canadiens. On peut donc conclure que cette forme dissoute du métal se trouve dans d’autres milieux marins où les taux d’oxygène varient, que ce soit dans la colonne d’eau de la mer Noire, les sédiments de l’estuaire du Saint-Laurent ou les marais salants du Delaware.

« Nous en avons découvert dans toutes les régions de l’estuaire du Saint-Laurent que nous avons étudiées », affirme le professeur Luther. « Nous en avons également trouvé dans un marais salant du Delaware. Partout où nous avons cherché, nous en avons trouvé. Nous pouvons donc en déduire que tous les sédiments marins en contiennent. »

Les résultats de cette étude permettent d’expliquer les anomalies observées dans les modèles de manganèse et qui ont toujours intrigué les scientifiques. En effet, d’autres chercheurs ayant étudié cet élément ont omis de distinguer entre le manganèse (II) et le manganèse (III), précise le professeur Luther. Ils ont plutôt mesuré les concentrations de manganèse total dissous et pris pour acquis qu’il s’agissait du premier type.

Ce chaînon manquant dans le cycle du manganèse pourrait permettre de comprendre les liens complexes entre la biologie, la géologie et la chimie, autrement dit la biogéochimie, dans les milieux océaniques.

La biogéochimie des sédiments marins est essentiellement contrôlée par la matière organique, comme les fragments d’algues mortes qui se déposent au fond de l’océan. Les bactéries se nourrissent de ces débris, déclenchant ainsi une succession de réactions d’oxydoréduction.

Dans leur article, les chercheurs demandent que le modèle conceptuel du cycle d’oxydoréduction des sédiments soit révisé afin d’inclure le manganèse (III) dissous.

« Le manganèse contribue favorablement à la production de matière organique dans les eaux de surface via la photosynthèse », explique le professeur Luther. « Toutefois, dans les sédiments, le manganèse dont l’état d’oxydation est plus élevé participe à la décomposition de cette matière organique. Il s’agit donc d’un cycle extrêmement intéressant. »

Intitulée Abundant porewater Mn(III) is a major component of the sedimentary redox system, cette étude a fait l’objet d’un article qui sera publié dans le numéro du 23 août 2013 de la revue Science.

Ces travaux ont été financés par la Fondation nationale pour la science et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada. Ils ont été réalisés en 2009 et 2010 sur le navire de recherche Coriolis II, sous la direction scientifique du professeur Mucci. Ce navire est la propriété d’un consortium regroupant des universités québécoises, dont McGill, et est exploité par Reformar, un organisme sans but lucratif ayant ses assises à l’Institut maritime du Québec, à Rimouski.

Références photographiques: George Luther, University of Delaware