Un lac sibérien questionne le cycle du méthane dans les écosystèmes arctiques
Publié par Adrien le 16/03/2020 à 09:00
Source: CNRS INEE
Une étude intégrant biogéochimie, isotopie et microbiologie a montré que, dans un lac sibérien, l'oxydation du méthane dans la colonne d'eau consommait intégralement le flux issu des sédiments. Ce résultat est majeur pour l'évaluation de la rétroaction des écosystèmes aquatiques au changement climatique. Cette étude publiée dans Scientific Reports a mobilisé un consortium international incluant des chercheurs du laboratoire Ecologie fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a été étendu, et il...) et environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) (ECOLAB - CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) / Univ. Toulouse Paul Sabatier / Toulouse INP) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) Méditerranéen d'Océanologie (MIO - Univ. Toulon / CNRS ; Univ Aix-Marseille / IRD), dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) ERANET-LAC Methanobase.


Vue d'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme l'énonçait...) du lac (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il suffit que la profondeur, la superficie, ou le volume soit suffisant pour...) Sibérien (Le sibérien est une race de chat originaire de Russie. Ce chat de grande taille est caractérisé par sa robe à poils mi-longs et sa silhouette "en tonneau".) ayant fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) de cette étude.
Crédits: Projet Methanobase

L'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) des effets du changement climatique en Arctique (L’Arctique est la région entourant le pôle nord de la Terre, à l’intérieur et aux abords du cercle polaire. Elle se situe à l'opposé de l'Antarctique. L'Arctique inclut une partie du Canada, du...) conduit à une accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification...) de la fonte du permafrost, qui se traduit par différentes modifications des paysages et des écosystèmes. Une des conséquences est la formation de zones humides et de lacs thermokarstiques, qui constituent potentiellement de puissants émetteurs de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles (dans le cas...) tels que le méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est...), provenant de la fermentation (La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue dans une source de carbone (souvent du glucose) en une autre forme d'énergie directement utilisable par...) de matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s'agit par exemple des glucides, protides et...) du permafrost. En effet, à l'échelle globale, les lacs et zones humides sont responsables de 70% des émissions de méthane d'origine naturelle. En particulier, les lacs boréaux représentent 26% des émissions totales de méthane à partir de lacs.

Dans les lacs, il est communément admis que le méthane est produit par les sédiments anoxiques, puis transporté à travers la colonne d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (par diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation » (diffuseur d'un...) ou ébullition), où il est oxydé en conditions oxiques avant d'être émis à l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). Toutefois, cette vision du cycle du méthane est actuellement en pleine (r)évolution, avec des études montrant que le méthane peut être produit en zones oxiques, et -inversement- oxydé en zones anoxiques. Les mécanismes métaboliques et les acteurs microbiens impliqués ne sont pas encore bien connus, et ces processus ne sont pas encore pris en compte dans les bilans globaux d'émissions de méthane. Il est crucial de les étudier pour évaluer la rétroaction potentielle de la fonte du pergélisol sur le changement climatique.

Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de...), le projet ERANET-LAC Methanobase (2015-2018), co-dirigé par Maialen Barret (INPT, EcoLab, Toulouse) et Léa Cabrol (IRD, M.I.O Marseille) et réunissant un consortium pluridisciplinaire de chercheurs de 8 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le plus souvent sous...), se proposait d'étudier la diversité microbienne impliquée dans le cycle du méthane dans les tourbières, lacs et zones humides des hautes latitudes les plus exposées au changement climatique (Sibérie, Alaska, Patagonie (La Patagonie (en espagnol et en anglais : Patagonia), également appelée Le Grand Sud, désigne une région géographique appartenant au Cône Sud située dans la partie...) subantarctique). L'implication cruciale du Melnikov Permafrost Institute a rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant...) possible la campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La campagne...) de terrain en Sibérie. L'article de Thalasso et al. paru récemment dans Scientific Reports et présenté ici s'inscrit dans le cadre de ce projet collaboratif, et s'intéresse plus particulièrement à un lac fortement stratifié sous influence thermokarstique, au Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de la Sibérie.


Prélèvement d'eau à l'aide d'une bouteille Van Dorn pour analyses ultérieures (Karla Martinez Cruz, Université de Magallanes, Chili).
Crédits: Projet Methanobase

Des concentrations en méthane et dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est : CO2. C'est...) dissous mesurées in-situ par spectroscopie laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) (M-ICOS, LGR) selon une méthode ultra-sensible et haute-résolution développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) par les partenaires du projet ont révélé des profils atypiques, dus à l'absence totale de méthane dans une couche d'eau d'environ 4 m, largement en dessous de l'oxycline. Les flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé...) de méthane entre les différentes zones du lac calculés par un modèle de diffusion-réaction, et l'analyse des isotopes stables du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) inorganique et du méthane, ont permis de démontrer que l'intégralité de l'important flux de méthane généré par les sédiments était effectivement éliminé par oxydation dans l'hypolimnion anoxique du lac, sans qu'il ne puisse atteindre l'atmosphère.

La quantification des gènes microbiens responsables de la production et de l'oxydation du méthane a confirmé que le pic d'oxydation avait lieu en absence d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), et que cette oxydation était d'origine microbienne, via la voie métabolique de la monooxygénase particulaire du méthane. Ces résultats soulignent le rôle de l'hypolimnion de ce lac comme puits de méthane, et conduisent à attribuer la faible teneur de méthane en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) (émis à l'atmosphère) à une origine non-sédimentaire, probablement généré in-situ en aérobie (Aérobie désigne la capacité d'un organisme ou micro-organisme de se développer dans l'air ambiant et plus particulièrement dans un milieu saturé en...) ou transporté depuis les écosystèmes terrestres adjacents.

Cet article a d'importantes implications pour l'identification de l'origine du carbone émis par les lacs arctiques et pour l'estimation des bilans globaux d'émission de méthane dans ces écosystèmes sensibles aux changements globaux. Il questionne les mécanismes mis en jeu, l'identité des microorganismes responsables, et l'ampleur du phénomène dans d'autres écosystèmes arctiques.


Analyseur de gaz embarqué pour mesurer les flux de dioxide de carbone et méthane émis à l'atmosphère, ainsi que leur concentration dissoute dans la colonne d'eau (Frédéric Thalasso, Center for Research and Advanced Studies, Mexique).
Crédits: Projet Methanobase

Référence

Thalasso, F., Sepulveda-Jauregui, A., Gandois, L. et al. Sub-oxycline methane oxidation can fully uptake CH4 produced in sediments: case study of a lake in Siberia. Sci Rep 10, 3423 (2020).
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