Data on the biogeochemical cycle of methane in the ocean

Geological, mineralogical and microbiological aspects of the methane cycle in water and sediments of different areas in the oceans are under consideration in the monograph. Original and published estimations of formation- and oxidation rates of methane with use of radioisotope and isotopic methods are given. The role of aerobic and anaerobic microbial oxidation of methane in production of organic matter and in formation of authigenic carbonates is considered. Particular attention is paid to processes of methane transformation in areas of its intensive input to the water column from deep-sea hydrothermal sources, mud volcanoes, and cold methane seeps.

(Table 1) Stable carbon isotope ratios of methane and carbon dioxide from ODP Leg 169S holes

Sites 1033 and 1034 of ODP Leg 169S in Saanich Inlet have an unusual diagenetic system, that has the appearance of being depth reversed, i.e. a bacterial methane accumulation zone underlain by a sulphate reduction zone. During the late Pleistocene grey, undifferentiated, glacio-marine clays were deposited with low Corg contents (<0.4 wt.%), and interstitial fluids replete in SO4 (ca. 27 mM), devoid of CH4 and low in nutrients. This indicates oxic conditions are present, reflecting the open exchange of waters with Haro Strait during the Pleistocene before the Saanich Peninsula emerged. In the earliest Holocene (ca. 11,000 years BP) the inlet was formed, severely restricting water circulation, and leading to the presence of anoxic bottom waters. The sediments are laminated and show a dramatic rise to high Corg, Norg and Stot contents (up to 2.5, 0.4, 1.4 wt.%, respectively) over a period of ca. 1000 years. The nutrient concentrations are especially high (TA, NH4, PO4 up to 115 meq/l, 20 mM and 400 µM, respectively), SO4 is exhausted and CH4 is prolific. Stable carbon isotope ratio measurements of CH4 and co-existing CO2 indicate that methanogenesis is via carbonate reduction (delta13C-CH4 ca. -60 to - 70 per mil, delta13C-CO2 ca. +10 per mil). At the sulphate-methane interfaces, both at the near-surface and at 50 mbsf (Site 1033) and 80 mbsf (Site 1034) methane consumption by sulphate reducing bacteria is intensive.

Methane fluxes and carbonate deposits at eastern Mediterranean cold seeps

High acoustic seafloor-backscatter signals characterize hundreds of patches of methane-derived authigenic carbonates and chemosynthetic communities associated with hydrocarbon seepage on the Nile Deep Sea Fan (NDSF) in the Eastern Mediterranean Sea. During a high-resolution ship-based multibeam survey covering a ~ 225 km**2 large seafloor area in the Central Province of the NDSF we identified 163 high-backscatter patches at water depths between 1500 and 1800 m, and investigated the source, composition, turnover, flux and fate of emitted hydrocarbons. Systematic Parasound single beam echosounder surveys of the water column showed hydroacoustic anomalies (flares), indicative of gas bubble streams, above 8% of the high-backscatter patches. In echosounder records flares disappeared in the water column close to the upper limit of the gas hydrate stability zone located at about 1350 m water depth due to decomposition of gas hydrate skins and subsequent gas dissolution. Visual inspection of three high-backscatter patches demonstrated that sediment cementation has led to the formation of continuous flat pavements of authigenic carbonates typically 100 to 300 m in diameter. Volume estimates, considering results from high-resolution autonomous underwater vehicle (AUV)-based multibeam mapping, were used to calculate the amount of carbonate-bound carbon stored in these slabs. Additionally, the flux of methane bubbles emitted at one high-backscatter patch was estimated (0.23 to 2.3 × 10**6 mol a**-1) by combined AUV flare mapping with visual observations by remotely operated vehicle (ROV). Another high-backscatter patch characterized by single carbonate pieces, which were widely distributed and interspaced with sediments inhabited by thiotrophic, chemosynthetic organisms, was investigated using in situ measurements with a benthic chamber and ex situ sediment core incubation and allowed for estimates of the methane consumption (0.1 to 1 × 10**6 mol a**-1) and dissolved methane flux (2 to 48 × 10**6 mol a**-1). Our comparison of dissolved and gaseous methane fluxes as well as methane-derived carbonate reservoirs demonstrates the need for quantitative assessment of these different methane escape routes and their interaction with the geo-, bio-, and hydrosphere at cold seeps.

Diversité microbienne associée au cycle du méthane dans les mares de fonte du pergélisol subarctique

La fonte et l’effondrement du pergélisol riche en glace dans la région subarctique du Québec ont donné lieu à la formation de petits lacs (mares de thermokarst) qui émettent des gaz à effet de serre dans l’atmosphère tels que du dioxyde de carbone et du méthane. Pourtant, la composition de la communauté microbienne qui est à la base des processus biogéochimiques dans les mares de fonte a été très peu étudiée, particulièrement en ce qui concerne la diversité et l’activité des micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la diversité phylogénétique et fonctionnelle des micro-organismes dans les mares de fonte subarctiques en lien avec les caractéristiques de l’environnement et les émissions de méthane. Pour ce faire, une dizaine de mares ont été échantillonnées dans quatre vallées situées à travers un gradient de fonte du pergélisol, et disposant de différentes propriétés physico-chimiques. Selon les vallées, les mares peuvent être issues de la fonte de palses (buttes de tourbe, à dominance organique) ou de lithalses (buttes de sol à dominance minérale) ce qui influence la nature du carbone organique disponible pour la reminéralisation microbienne. Durant l’été, les mares étaient fortement stratifiées; il y avait un fort gradient physico-chimique au sein de la colonne d’eau, avec une couche d’eau supérieure oxique et une couche d’eau profonde pauvre en oxygène ou anoxique. Pour identifier les facteurs qui influencent les communautés microbiennes, des techniques de séquençage à haut débit ont été utilisées ciblant les transcrits des gènes de l’ARNr 16S et des gènes impliqués dans le cycle du méthane : mcrA pour la méthanogenèse et pmoA pour la méthanotrophie. Pour évaluer l’activité des micro-organismes, la concentration des transcrits des gènes fonctionnels a aussi été mesurée avec des PCR quantitatives (qPCR). Les résultats montrent une forte dominance de micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane, c’est-à-dire des archées méthanogènes et des bactéries méthanotrophes. L’analyse du gène pmoA indique que les bactéries méthanotrophes n’étaient pas seulement actives à la surface, mais aussi dans le fond de la mare où les concentrations en oxygène étaient minimales; ce qui est inattendu compte tenu de leur besoin en oxygène pour consommer le méthane. En général, la composition des communautés microbiennes était principalement influencée par l’origine de la mare (palse ou lithalse), et moins par le gradient de dégradation du pergélisol. Des variables environnementales clefs comme le pH, le phosphore et le carbone organique dissous, contribuent à la distinction des communautés microbiennes entre les mares issues de palses ou de lithalses. Avec l’intensification des effets du réchauffement climatique, ces communautés microbiennes vont faire face à des changements de conditions qui risquent de modifier leur composition taxonomique, et leurs réponses aux changements seront probablement différentes selon le type de mares. De plus, dans le futur les conditions d’oxygénation au sein des mares seront soumises à des modifications majeures associées avec un changement dans la durée des périodes de fonte de glace et de stratification. Ce type de changement aura un impact sur l’équilibre entre la méthanogenèse et la méthanotrophie, et affectera ainsi les taux d’émissions de méthane. Cependant, les résultats obtenus dans cette thèse indiquent que les archées méthanogènes et les bactéries méthanotrophes peuvent développer des stratégies pour survivre et rester actives au-delà des limites de leurs conditions d’oxygène habituelles.