Pollen records from Bol'shoy Lyakhovsky Island, Siberia

Cryolithological, ground ice and fossil bioindicator (pollen, diatoms, plant macrofossils, rhizopods, insects, mammal bones) records from Bol'shoy Lyakhovsky Island permafrost sequences (73°20'N, 141°30'E) document the environmental history in the region for the past c. 115 kyr. Vegetation similar to modern subarctic tundra communities prevailed during the Eemian/Early Weichselian transition with a climate warmer than the present. Sparse tundra-like vegetation and harsher climate conditions were predominant during the Early Weichselian. The Middle Weichselian deposits contain peat and peaty soil horizons with bioindicators documenting climate amelioration. Although dwarf willows grew in more protected places, tundra and steppe vegetation prevailed. Climate conditions became colder and drier c. 30 kyr BP. No sediments dated between c. 28.5 and 12.05 14C kyr BP were found, which may reflect active erosion during that time. Herb and shrubby vegetation were predominant 11.6-11.3 14C kyr BP. Summer temperatures were c. 4 °C higher than today. Typical arctic environments prevailed around 10.5 14C kyr BP. Shrub alder and dwarf birch tundra were predominant between c. 9 and 7.6 kyr BP. Reconstructed summer temperatures were at least 4 °C higher than present. However, insect remains reflect that steppe-like habitats existed until c. 8 kyr BP. After 7.6 kyr BP, shrubs gradually disappeared and the vegetation cover became similar to that of modern tundra. Pollen and beetles indicate a severe arctic environment c. 3.7 kyr BP. However, Betula nana, absent on the island today, was still present. Together with our previous study on Bol'shoy Lyakhovsky Island covering the period between about 200 and 115 kyr, a comprehensive terrestrial palaeoenvironmental data set from this area in western Beringia is now available for the past two glacial-interglacial cycles.

Short Communication Over-Winter Channel Bed Temperature Regimes Generated by Contrasting Snow Accumulation in a High Arctic River

We report experimental results of near-surface winter temperatures along and adjacent to the channel bed of a High Arctic river on Melville Island, Canada. Temperature loggers 5cm below the ground surface in areas where the terrain suggests varying snow accumulation patterns revealed that the maximum winter difference between air and near-surface temperatures ranged from 0 to +30°C during the winter of 2012–13, and that shallow near-surface freezing conditions were delayed for up to 21 days in some locations. Cooling to -10°C was delayed for up to 117 days. Modelled temperature at the top of permafrost indicates that permafrost at locations with thick snow can be up to 8°C warmer than those with thin snow. This thermal evidence for an ameliorated surface environment indicates the potential for substantial extended microbial and biogeochemical cycling during early winter. Rapid thaw of the bed during initiation of snowmelt in spring also indicates a high degree of hydrological connectivity. Therefore, snow-filled channels may contribute to biogeochemical and aquatic cycling in High Arctic rivers.

Climate and Terrain Characteristics Linked to Mud Ejection Occurrence in the Canadian High Arctic

Pressurised slurries of fine-grained sediment expelled from the base of the active layer have been observed in recent years in the High Arctic. Such mud ejections, however, are poorly understood in terms of how exactly climate and landscape factors determine when and where they occur. Mud ejections at the Cape Bounty Arctic Watershed Observatory, Melville Island, Nunavut, were systematically mapped in 2012 and 2013, and this was combined with observations of mud ejection activity and climatic measurements carried out since 2003. The mud ejections occur late in the melt season during warm years and closely following major rainfall events. High-resolution satellite imagery demonstrates that mud ejections are associated with polar semi-desert vegetative settings, flat or low-sloping terrain and south-facing slopes. The localised occurrence of mud ejections appears to be related to differential soil moisture retention.

Terrain Controls and Landscape-Scale Susceptibility Modelling of Active-Layer Detachments, Sabine Peninsula, Melville Island, Nunavut

Modelling the susceptibility of permafrost slopes to disturbance can identify areas at risk to future disturbance and result in safer infrastructure and resource development in the Arctic. In this study, we use terrain attributes derived from a digital elevation model, an inventory of permafrost slope disturbances known as active-layer detachments (ALDs) and generalised additive modelling to produce a map of permafrost slope disturbance susceptibility for an area on northern Melville Island, in the Canadian High Arctic. By examining terrain variables and their relative importance, we identified factors important for initiating slope disturbance. The model was calibrated and validated using 70 and 30 per cent of a data-set of 760 mapped ALDs, including disturbed and randomised undisturbed samples. The generalised additive model calibrated and validated very well, with areas under the receiver operating characteristic curve of 0.89 and 0.81, respectively, demonstrating its effectiveness at predicting disturbed and undisturbed samples. ALDs were most likely to occur below the marine limit on slope angles between 3 and 10° and in areas with low values of potential incoming solar radiation (north-facing slopes).

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.

Dynamique de l'oxygène et l'activité microbienne dans les lacs de fonte du pergélisol subarctique

Les lacs de thermokarst (lacs peu profonds créés par le dégel et l’érosion du pergélisol riche en glace) sont un type unique d’écosystèmes aquatiques reconnus comme étant de grands émetteurs de gaz à effet de serre vers l’atmosphère. Ils sont abondants dans le Québec subarctique et ils jouent un rôle important à l’échelle de la planète. Dans certaines régions, les lacs de thermokarst se transforment rapidement et deviennent plus grands et plus profonds. L’objectif de cette étude était d’améliorer la compréhension et d’évaluer quelles variables sont déterminantes pour la dynamique de l’oxygène dans ces lacs. C’est pourquoi j’ai examiné les possibles changements futurs de la dynamique de l’oxygène dans ces lacs dans un contexte de réchauffement climatique. Une grande variété de méthodes ont été utilisées afin de réaliser cette recherche, dont des analyses in situ et en laboratoire, ainsi que la modélisation. Des capteurs automatisés déployés dans cinq lacs ont mesuré l’oxygène, la conductivité et la température de la colonne d’eau en continu de l’été 2012 jusqu’à l’été 2015, à des intervalles compris entre 10 à 60 minutes. Des analyses en laboratoire ont permis de déterminer la respiration et les taux de production bactériens, les variables géochimiques limnologiques, ainsi que la distribution de la production bactérienne entre les différentes fractions de taille des communautés. La température de l’eau et les concentrations d’oxygène dissous d’un lac de thermokarst ont été modélisées avec des données du passé récent (1971) au climat futur (2095), en utilisant un scénario modéré (RCP 4.5) et un scénario plus extrême (RCP 8.5) de réchauffement climatique. Cette recherche doctorale a mis en évidence les conditions anoxiques fréquentes et persistantes présentes dans de nombreux lacs de thermokarst. Aussi, ces lacs sont stratifiés pendant l’hiver comme des concentrations élevées d’ions s’accumulent dans leurs hypolimnions à cause de la formation du couvert de glace (cryoconcentration) et de la libération des ions avec la respiration bactérienne. Les différences de température contribuent également à la stabilité de la stratification. La dynamique de mélange des lacs de thermokarst étudiés était contrastée : la colonne d’eau de certains lacs se mélangeait entièrement deux fois par année, d’autres lacs se mélangeaient qu’une seule fois en automne, alors que certains lacs ne se mélangeaient jamais entièrement. Les populations bactériennes étaient abondantes et très actives, avec des taux respiratoires comparables à ceux mesurés dans des écosystèmes méso-eutrophes ou eutrophes des zones tempérées de l’hémisphère nord. L’érosion des matériaux contenus dans le sol des tourbières pergélisolées procure un substrat riche en carbone et en éléments nutritifs aux populations bactériennes, et ils constituent des habitats propices à la colonisation par des populations de bactéries associées aux particules. Le modèle de la concentration d’oxygène dissous dans un lac a révélé que le réchauffement des températures de l’air pourrait amincir le couvert de glace et diminuer sa durée, intensifiant le transfert de l’oxygène atmosphérique vers les eaux de surface. Ainsi, la concentration en oxygène dissous dans la colonne d’eau de ce lac augmenterait et les périodes de conditions anoxiques pourraient devenir plus courtes. Finalement, cette thèse doctorale insiste sur le rôle des lacs de thermokarst comme des réacteurs biogéochimiques pour la dégradation du carbone organique, qui était retenu dans les sols gelés, en gaz à effet de serre libérés dans l’atmosphère. L’oxygène est un indicateur sensible du mélange de la colonne d’eau et de la dynamique chimique des lacs, en plus d’être une variable clé des processus métaboliques.

Methane Clathrates in the Solar System

We review the reservoirs of methane clathrates that may exist in the different bodies of the Solar System. Methane was formed in the interstellar medium prior to having been embedded in the protosolar nebula gas phase. This molecule was subsequently trapped in clathrates that formed from crystalline water ice during the cooling of the disk and incorporated in this form into the building blocks of comets, icy bodies, and giant planets. Methane clathrates may play an important role in the evolution of planetary atmospheres. On Earth, the production of methane in clathrates is essentially biological, and these compounds are mostly found in permafrost regions or in the sediments of continental shelves. On Mars, methane would more likely derive from hydrothermal reactions with olivine-rich material. If they do exist, martian methane clathrates would be stable only at depth in the cryosphere and sporadically release some methane into the atmosphere via mechanisms that remain to be determined. In the case of Titan, most of its methane probably originates from the protosolar nebula, where it would have been trapped in the clathrates agglomerated by the satellite's building blocks. Methane clathrates are still believed to play an important role in the present state of Titan. Their presence is invoked in the satellite's subsurface as a means of replenishing its atmosphere with methane via outgassing episodes. The internal oceans of Enceladus and Europa also provide appropriate thermodynamic conditions that allow formation of methane clathrates. In turn, these clathrates might influence the composition of these liquid reservoirs. Finally, comets and Kuiper Belt Objects might have formed from the agglomeration of clathrates and pure ices in the nebula. The methane observed in comets would then result from the destabilization of clathrate layers in the nuclei concurrent with their approach to perihelion. Thermodynamic equilibrium calculations show that methane-rich clathrate layers may exist on Pluto as well. Key Words: Methane clathrate-Protosolar nebula-Terrestrial planets-Outer Solar System.

Microbial nitrogen dynamics in organic and mineral soil horizons along a latitudinal transect in western Siberia

Soil N availability is constrained by the breakdown of N-containing polymers such as proteins to oligopeptides and amino acids that can be taken up by plants and microorganisms. Excess N is released from microbial cells as ammonium (N mineralization), which in turn can serve as substrate for nitrification. According to stoichiometric theory, N mineralization and nitrification are expected to increase in relation to protein depolymerization with decreasing N limitation, and thus from higher to lower latitudes and from topsoils to subsoils. To test these hypotheses, we compared gross rates of protein depolymerization, N mineralization and nitrification (determined using N-15 pool dilution assays) in organic topsoil, mineral topsoil, and mineral subsoil of seven ecosystems along a latitudinal transect in western Siberia, from tundra (67 degrees N) to steppe (54 degrees N). The investigated ecosystems differed strongly in N transformation rates, with highest protein depolymerization and N mineralization rates in middle and southern taiga. All N transformation rates decreased with soil depth following the decrease in organic matter content. Related to protein depolymerization, N mineralization and nitrification were significantly higher in mineral than in organic horizons, supporting a decrease in microbial N limitation with depth. In contrast, we did not find indications for a decrease in microbial N limitation from arctic to temperate ecosystems along the transect. Our findings thus challenge the perception of ubiquitous N limitation at high latitudes, but suggest a transition from N to C limitation of microorganisms with soil depth, even in high-latitude systems such as tundra and boreal forest.