Dépôt numérique
RECHERCHER

Voies et vitesses de minéralisation de la matière organique dans des sédiments lacustres avec emphase sur la méthanogenèse et la méthanotrophie.

Téléchargements

Téléchargements par mois depuis la dernière année

Plus de statistiques...

Clayer, François (2017). Voies et vitesses de minéralisation de la matière organique dans des sédiments lacustres avec emphase sur la méthanogenèse et la méthanotrophie. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 244 p.

[img]
Prévisualisation
PDF
Télécharger (10MB) | Prévisualisation

Résumé

La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce résumé peut être lue en PDF.

Cette thèse vise à approfondir notre compréhension des réactions qui produisent et consomment naturellement le méthane (CH4) dans les sédiments du milieu aquatique continental. Le travail accompli contribue d’une manière originale à cet objectif par la modélisation des processus de transport et des réactions qui contrôlent la distribution verticale du CH4, du carbone inorganique dissous (CID) et du δ13C de ces solutés dans les eaux interstitielles des sédiments de lacs oligotrophes du Bouclier canadien. Plus spécifiquement, trois bassins lacustres présentant des caractéristiques distinctes ont été échantillonnés en leur point le plus profond : un est oxygéné en permanence, un est occasionnellement anoxique en profondeur pour de courtes périodes, et un autre est régulièrement anoxique pour des périodes de plusieurs mois. Le bassin oxygéné en permanence et celui occasionnellement anoxique sont adjacents dans un même lac. Les profils du pH et d’autres solutés clefs dans les eaux interstitielles (SO42−, ΣS(−II), Fe, carbone organique dissous), de même que ceux du Mn, du Fe et du C organique dans les sédiments, soutiennent en outre les conclusions de ce travail. La modélisation des profils des concentrations en CH4 et CID à l’aide d’une équation de transport-réactions permet de délimiter les intervalles de profondeur (ou zones) où ces solutés sont produits et consommés et d’obtenir les vitesses nettes des réactions qui les impliquent dans chacune des zones. Cette procédure révèle notamment que dans les deux bassins du même lac, le CH4 est produit sous 4–7 cm de profondeur à des vitesses nettes pouvant atteindre entre 33 et 1150 fmol cm−3 s−1 selon les sites et les dates d’échantillonnage. Dans le bassin oxygéné en permanence, la méthanogenèse représente 30–64% de la minéralisation du C organique dans les sédiments alors que cette proportion atteint 84–100% dans le bassin occasionnellement anoxique. Environ la moitié du CH4 produit dans les sédiments du bassin oxygéné en permanence est consommée dans une zone qui se situe entre l’interface eau-sédiment et 4–7 cm de profondeur, tandis que l’autre moitié est exportée vers la colonne d’eau. Par contre, dans le bassin occasionnellement anoxique, seulement 20% du CH4 produit dans la zone de méthanogenèse est oxydé dans les sédiments, tandis que 80% est exporté dans la colonne d’eau. Des calculs thermodynamiques montrent que l’oxydation du CH4 par l’O2, le Fe(III) et le SO42− est théoriquement possible mais l’analyse quantitative des données indique que l’O2 est de loin le principal accepteur d’électron impliqué dans l’oxydation du CH4 et de la matière organique dans les sédiments des deux bassins. Par conséquent, les sédiments du bassin occasionnellement anoxique exportent davantage de CH4 que de CID vers la colonne d’eau alors que ceux du bassin oxygéné en permanence sont principalement une source de CID. Les résultats présentés font clairement ressortir qu’un petit changement de la concentration en O2 dans les eaux hypolimnitiques altère de façon significative l’importance relative et absolue des voies de la minéralisation de la matière organique dans les sédiments et des flux de CH4 et de CID à l’interface eau-sédiment. Les efforts de mesure et de modélisation du δ13C du CH4 et du CID réalisés permettent par ailleurs de démontrer que le CH4 est entièrement produit via l’hydrogénotrophie à chacun des sites étudiés et que la vitesse de production du CH4 dans la principale zone de méthanogenèse (soit entre environ 4 et 10 cm de profondeur) y est de 1.5 à 4 fois plus élevée que celle du CID. Cette observation n’est pas compatible avec la production équimolaire de CH4 et de CID attendue de la fermentation des glucides, lesquels sont généralement considérés comme les composés représentant la matière organique métabolisable dans les modèles diagénétiques sous la forme de CH2O ou de C6H12O6. La fermentation des glucides ne peut donc pas constituer la source exclusive de H2 pour l’hydrogénotrophie. Après avoir écarté l’hypothèse qu’une production de H2 additionnelle à celle découlant de la fermentation d’une molécule de type CH2O provienne de l’oxydation du soufre réduit par le Fe(III) dans la zone de méthanogenèse, on peut en déduire que l’état moyen d’oxydation du carbone (EOC) des substrats à l’origine du CH4 produit dans les sédiments est compris entre −0.8 et −1.9. Dans le bassin occasionnellement anoxique, ces substrats peuvent en outre être représentés par un mélange d’acides ou d’alcools gras plutôt que par des glucides dont l’EOC est de zéro. L’ensemble des résultats de cette thèse suggère qu’une meilleure caractérisation de la composition de la matière organique minéralisée dans les sédiments permettrait l’amélioration des prédictions des modèles diagénétiques quant à l’altération du cycle du CH4 dans les lacs boréaux et à son importance dans le réchauffement planétaire.

Abstract

The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract.

This thesis aims at enhancing our comprehension of the reactions that naturally produce and consume methane (CH4) in freshwater sediments. This research contribute to this objective through the modeling of transport processes and reactions that control the vertical distribution of CH4, dissolved inorganic carbon (DIC) and of the carbon isotopic signature (δ13C) of these solutes in the sediment porewater of Canadian Shield oligotrophic lakes. Three lake basins showing distinct characteristics were sampled at their deepest site: one is perennially oxygenated, one is occasionally anoxic at depth for short periods of time, and another one is regularly anoxic for several months. The perennially oxygenated basin and the occasionally anoxic one are adjacent in the same lake. The profiles of pH, and of other key solutes in the porewater (SO42−, ΣS(−II), Fe, dissolved organic carbon), as well as those of Mn, Fe and organic C in the sediments, further support the conclusions of this work. Modeling the concentration profiles of CH4 and DIC with a transport-reaction equation constrains the depth intervals (or zones) where these solutes are produced or consumed and yields the net rates of the reactions in which they are involved in each zone. This procedure reveals, inter alia, that in both basins of the same lake, CH4 is produced below 4–7 cm depth at net rates reaching between 33 and 1150 fmol cm−3 s−1 depending on the sampling sites and dates. In the perennially oxygenated basin, methanogenesis represents 30–64% of organic C mineralization in the sediment whereas this proportion reaches 84–100% in the occasionally anoxic basin. About half of the CH4 produced in the sediments of the perennially oxygenated basin is consumed in a zone located between the sediment-water interface and 4–7 cm depth while the other half is exported to the water column. In contrast, in the occasionally anoxic basin, only about 20% of the produced CH4 is oxidized in the sediment and 80% is exported to the water column. Thermodynamic calculations show that the oxidation of CH4 by O2, Fe(III) and SO42− are theoretically possible but a quantitative analysis of the data indicates that O2 is by far the main electron acceptor involved in the oxidation of CH4 and organic matter in the sediment of both basins. Consequently, the sediments of the occasionally anoxic basin export more CH4 than DIC to the water column whereas those of the perennially oxygenated basin are essentially a source of DIC. The results reported clearly highlight that a small change in the hypolimnetic O2 concentrations significantly alters the relative and absolute magnitude of organic matter mineralization pathways in the sediments as well as the fluxes of CH4 and DIC across the sediment-water interface. The efforts made to measure and model the δ13C of CH4 and DIC further demonstrate that CH4 is entirely produced through hydrogenotrophy at each of the study site and that the production rate of CH4 in the main zone of methanogenesis, which is located between approximately 4 and 10 cm depth, is 1.5 to 4 times higher than that of DIC. This observation is at odds with the equimolar production of CH4 and DIC expected from the fermentation of carbohydrates such as CH2O or C6H12O6, which are typically considered as the compounds representing the metabolizable organic matter in diagenetic models. Hence, the fermentation of carbohydrates cannot constitute the exclusive source of H2 for hydrogenotrophy. After ruling out the hypothesis that H2 can be produced from the oxidation of reduced sulfur by Fe(III) in the zone of methanogenesis, it can be concluded that the average carbon oxidation state (COS) of the organic substrates at the origin of CH4 produced in the sediment is comprised between −0.8 and −1.9. Furthermore, in the occasionally anoxic basin, these substrates can be represented by a mixture of fatty acids and alcohols instead of carbohydrates whose COS is zero. Overall, the results presented in this thesis suggest that a better characterization of the composition of the mineralized organic matter in the sediment would improve the predictions of diagenetic models concerning the alteration of the CH4 cycle and its importance in global warming.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Gobeil, Charles
Co-directeurs de mémoire/thèse: Tessier, André; Gélinas, Yves
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: méthane; méthanogenèse; méthanotrophie; minéralisation de la matière organique; modélisation de transport-réactions; isotopes du carbone; lac boréal; eau porale des sédiments; methane; methanogenesis; methanotrophy; organic matter mineralization; reaction-transport modeling; carbon isotopes; boreal lake; sediment porewater
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 10 mai 2018 15:05
Dernière modification: 10 mai 2018 15:05
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6935

Actions (Identification requise)

Modifier la notice Modifier la notice