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Les émissions de gaz à effet de serre et les communautés microbiennes des mares associées au dégel du pergélisol dans l'Arctique.

Negandhi, Karita (2014). Les émissions de gaz à effet de serre et les communautés microbiennes des mares associées au dégel du pergélisol dans l'Arctique. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 172 p.

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Résumé

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Plusieurs mares dans l'Arctique sont associées au dégel du pergélisol, incluant les mares thermokarstiques générées par le réchauffement accéléré du climat et l'érosion du pergélisol. L'étendue de leur couverture spatiale et les propriétés limnologiques de ces mares sont préoccupantes parce qu'elles émettent une quantité substantielle mais variable de gaz à effet de serre (GES). À l'Île Bylot, les mares polygonales et les mares allongées sont deux formations géomorphologiques courantes du paysage des polygones en coins de glace. Cette thèse explore la possibilité que ces différentes formations influencent les émissions de GES par l'entremise de leurs propriétés limnologiques et leurs assemblages microbiens distincts. Les concentrations de GES dissous dans les mares ont été mesurées sur trois ans et variaient de 1.8 à 609 IJM pour le dioxyde de carbone (C02), et de 0.1 à 25 µM pour le méthane (CH4). Les émissions des mares allongées étaient systématiquement plus élevées que celles des mares polygonales pour le CO2 (+17.0 comparé à -1.7 mmol m-2 d-1) et pour le CH4 (+0.7 par rapport à +0.2 mmol m-2 d-1). Les analyses multivariées indiquent que les différences de production de GES selon la formation géomorphologique sont expliquées par les communautés bactériennes des sédiments et les sources de carbone. D'autres facteurs, incluant la structure de archées et communautés pélagiques de bactéries, n'étaient pas nettement séparés, à travers la diversité de l'UTO et leurs fonctions inférées, en fonction des formations géomorphologiques. Pour ce qui est des communautés bactériennes, il y avait proportionnellement plus de méthanotrophes (consommateurs de CH4) ainsi que des signatures isotopiques δ13C-C02 et δ13C-CH4 indiquant une plus grande oxydation du CH4 dans les mares polygonales, et ultimement des émissions plus faibles de CH4 par comparaison aux mares allongées. La présence de méthanotrophes semble réguler les concentrations en CH4 et ainsi leurs émissions, avec une relation négative entre les concentrations dissoutes de CH4 et le nombre de méthanotrophes (1 - 20%) dans les sédiments de surface (r=-0.895, P=0.040), tandis qu'aucune relation n'existe avec les méthanogènes (r=- 0.331, P=0.669). Les sédiments des mares allongées, soumis expérimentalement à des températures plus élevées (+5°C), ont démontré une augmentation de la production en CO2 et CH4. Les communautés bactériennes des sédiments sont devenues plus diversifiées à température plus élevée, mais sans augmentation des méthanotrophes, ce qui pourrait expliquer l'augmentation de production nette de CH4. En général, les mares allongées semblent prédisposées à une production de GES plus élevée et provenant d'une source de carbone plus grande et plus ancienne, et ainsi ont le potentiel d'agir plus directement sur le climat global. De plus, leurs propriétés géomorphologiques instables empêchent l'établissement de tapis microbiens de cyanobactéries qui puisent efficacement le CO2 et produisent de l'O2. Ainsi ses mares abritent moins de méthanotrophes pour oxyder le CH4, et une communauté bactérienne pouvant soutenir une production accrue de CH4 en réaction au réchauffement planétaire.

Abstract

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Under a warming climate, thermokarst and thaw ponds formation is associated with thawing permafrost. The extent and characteristics of these ponds is of concern because they emit substantial, but highly variable greenhouse gases (GHG). On Bylot Island, polygonal and runnel ponds originate from two different geomorphological formations. In this thesis, the possibility that the different geomorphological formations influence GHG emissions through distinct limnological properties and microbial assemblages was explored. The dissolved GHG concentrations in the ponds was measured over 3 years and varied from 1.8-609 µM for carbon dioxide (C02), and 0.1- 25 IJM for methane (CH4). Runnel ponds had consistently higher emissions than polygonal ponds for CO2 (17.0 compared to -1.7 mmol m-2 d-1) and for CH4 (0.7 compared to 0.2 mmol m-2 d-1). Using multivariate analysis GHG production differences between the geomophologically distinct ponds was explained by differences in the sediment bacterial community and carbon (C)-source. Other factors including sediment archaeal communities and water bacterial communities did not have clear a separation, through OTUs diversity and inferred functions, between pond formations. For the bacterial communities, there were proportionally more methanotrophs (CH4 consumers) in the polygonal ponds along with δ13C-C02 and δ13C-CH4 signatures indicating CH4 oxidation, and ultimately less CH4 released into the water compared to runnel ponds. Occurrence of methanotrophs seems to regulate CH4 concentrations, with a negative relationship between dissolved CH4 concentrations and the number of surface sediment methanotrophs (1 - 20%, r=- 0.895, P=0.040), compared to no relationship with methanogens (r=-0.331, P=0.669). Runnel pond sediment, experimentally subjected to warmer temperatures (+5°C) showed increased CO2 and CH4. The sediment bacterial communities become more diverse under increased temperature, but with no increase in methanotrophs, possibly explaining the increase in CH4 production. Overall runnel ponds seemed to be predisposed to higher and more climate-relevant GHG production through access to larger and older carbon supplies. In addition, their geomorphological origin allows for an absence of cyanobacterial mats to take up CO2 and produce O2, fewer methanotrophs to oxidize CH4, and a bacterial community supporting increased CH4 production in response to a warming climate.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Laurion, Isabelle
Co-directeurs de mémoire/thèse: Lovejoy, Connie
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: méthane; CH4; dioxyde de carbone; C02; méthanogènes; méthanotrophes; carbone; mares thermokarstiques; mares de dégel; pergélisol; Arctique
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 mai 2014 21:27
Dernière modification: 25 nov. 2015 15:07
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2205

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