Premières analyses du δ13C et du Δ14C de glucides issus d’échantillons marins et atmosphériques

La compréhension de la dynamique du cycle du carbone nécessite une caractérisation à l’échelle moléculaire de la matière organique terrestre et marine, et une détermination des valeurs des rapports δ¹³C et Δ¹⁴C de ses différentes composantes, afin d’affiner les connaissances sur son origine et sa réactivité. Jusqu’à présent, ceci n’était pas réalisable en raison de la très faible abondance naturelle en ¹³C et ¹⁴C, des très faibles concentrations des composés individuels (niveau nanomolaire) et surtout des difficultés analytiques liées à l’isolement de ces composés de matrices environnementales complexes.
Les travaux pionniers de P. Williams dans les années 1970 et 1980 ont permis de déterminer l’âge moyen de la matière organique dissoute dans l’océan entre 6000 ans (Pacifique) et 4000 ans (Atlantique), mais très peu de données existent sur l’âge des composés moléculaires qui contribuent à ces moyennes. Ceci est essentiellement dû à la difficulté de les extraire sans contamination, mais aussi à la nécessité de disposer de matériel en quantité suffisante (> 50 µg) pour une analyse fiable par AMS (spectrométrie de masse par accélérateur). Ainsi, seules les signatures isotopiques en ¹³C et ¹⁴C des lipides ont pu être étudiées de manière exhaustive, en raison de leur nature hydrophobe qui facilite leur purification à partir d’échantillons environnementaux.
Des études antérieures sur les glucides océaniques ont montré que ces composés font partie de la fraction moderne (c’est-à-dire la fraction photosynthétisée récemment). Cependant, ces travaux se sont limités à la fraction hydrophile contenant ces composés. Par conséquent, les glucides n’ont jamais été directement séparés pour l’analyse du ¹⁴C.

Un groupe de chercheurs du MIO, du CEREGE et du WHOI a pu mettre au point pour la première fois une procédure d’extraction et de purification de glucides individuels à partir de particules fines atmosphériques et de matière organique marine particulaire. Ces glucides ont été identifiés, après comparaison avec des standards, par chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse à temps de vol (LC-Q-TOF-MS), puis analysés pour le ¹³C et ¹⁴C à l’aide respectivement de EA-IRMS et EA-AixMICADAS, des spectromètres de masse de nouvelle génération (https://www.cerege.fr/fr/laboratoire-de-geochimie-organique-inorganique-et-isotopique/unite-du-radiocarbone ).

Il est important de rappeler qu’une analyse spécifique en ¹⁴C par AMS des glucides requiert plusieurs molécules de glucides. Par exemple, 8 x 10¹⁶ molécules de glucose (C6H12O6) dans 10 µg C d’échantillon sont nécessaires pour une analyse par AMS, sachant que très peu de ces molécules (~ 7 x 10^-10 %) possèdent des atomes ¹⁴C (un atome ¹⁴C pour un milliard d’atomes 12C).

Les résultats de cette étude ont montré que le δ¹³C des glucides de la matière organique marine particulaire varie de −18.5 à −16.8 ‰ (source marine), à l’exception du lévoglucosane et du mannosane montrant respectivement des valeurs de −27.2 et −26.2 ‰ et suggérant une origine différente pour ces glucides, probablement une source terrestre de feux de biomasse. Les valeurs en Δ¹⁴C du galactose et du glucose sont respectivement égales à 19 à 43 ‰.
Pour l’échantillon atmosphérique, les valeurs en δ¹³C des glucides sont plus homogènes et varient entre 27.2 et −26.2 ‰, ce qui indique une source terrestre. La valeur en Δ¹⁴C du lévoglucosane est +33 ‰. Ces valeurs du Δ¹⁴C des glucides indiquent clairement un âge moderne et suggèrent que les glucides détectés sont essentiellement des produits dérivés de la photosynthèse parce qu’ils portent la signature isotopique en Δ¹⁴C du dioxyde de carbone atmosphérique (CO2). Ce résultat prouve la part significative des glucides d’âge moderne au sein du pool de matière organique terrestre et marine.