Signatures métalloenzymatiques dans les carbonates authigènes des régions frontalières des Tchouktches dans l'ouest de l'océan Arctique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16597 (2022) Citer cet article

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La migration de fluides riches en méthane dans les suintements froids sous-marins entraîne une activité microbienne intense et une précipitation de carbonates authigènes. Dans cette étude, nous avons analysé des échantillons de carbonate authigène d'origine microbienne récemment récupérés dans des monticules d'hydrates de gaz actifs sur le versant sud-ouest des Chukchi Borderlands (CB), dans l'ouest de l'océan Arctique. Notre objectif principal était de caractériser les modèles de distribution des oligo-éléments dans les fractions lipidiques hébergées dans des carbonates afin d'évaluer les besoins en métalloenzymes des microbes impliqués dans l'oxydation anaérobie du méthane (AOM). Nous avons mesuré les isotopes stables, les oligo-éléments, les biomarqueurs lipidiques et l'ADN génomique, et les résultats indiquent la prédominance des biomarqueurs lipidiques liés à l'AOM dans les échantillons de carbonate étudiés, ainsi qu'une présence prédominante des archées méthanotrophes anaérobies (ANME)-1. Nous rapportons également des preuves d'enrichissements préférentiels significatifs de divers oligo-éléments (Li, Ni, Co, Cu, Zn et Mo) dans les fractions lipidiques totales des carbonates CB, par rapport aux compositions élémentaires déterminées pour les fractions carbonatées correspondantes, qui diffèrent de celles précédemment. signalé pour d’autres sites de suintement. Nous émettons l’hypothèse que les enrichissements en oligo-éléments dans les fractions lipidiques hébergées dans des carbonates pourraient varier en fonction du type d’assemblage microbien d’AOM. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour étudier plus en détail les mécanismes des oligo-éléments liés aux lipides dans les carbonates de suintement froid en tant que métalloenzymes potentielles dans l'AOM.

Des suintements froids se produisent au bord des océans dans le monde entier1,2, correspondant aux émanations de fluides riches en méthane du fond marin vers la colonne d’eau3,4. Les taux d'infiltration de fluides réduits peuvent varier considérablement au niveau du fond marin5, conduisant à un large spectre de conditions redox dans les sédiments souterrains lors des suintements froids6. Un processus biogéochimique clé dans les suintements sous-marins de méthane est l’oxydation anaérobie du méthane (AOM), qui consomme efficacement une fraction substantielle du méthane libéré dans la colonne d’eau sus-jacente7,8. Durant l'AOM, les niveaux d'alcalinité augmentent fortement dans les eaux interstitielles environnantes en raison de la production de biocarbonate (HCO3−), favorisant la sursaturation et la précipitation des carbonates2,9. En conséquence, les précipitations de carbonates authigènes sont généralement rencontrées dans les suintements froids10,11, qui peuvent servir d'archives pour étudier les événements de libération de méthane dans les suintements modernes et anciens12,13.

L’AOM est généralement médiée par un consortium d’archées anaérobies méthanotrophes (ANME) et de bactéries sulfato-réductrices (SRB)14,15. Cependant, des études récentes ont également montré que les ANME peuvent également utiliser d’autres accepteurs d’électrons, tels que les oxyhydroxydes riches en manganèse (Mn) et en fer (Fe), pour favoriser l’oxydation du méthane dans les suintements froids16. Notamment, d’autres métaux traces tels que le nickel (Ni), le cobalt (Co), le molybdène (Mo), le tungstène (W) et le zinc (Zn) peuvent également être impliqués dans l’AOM, agissant comme cofacteurs enzymatiques17,18. La plupart de ces résultats ont été obtenus à partir d’expériences en culture17,19. Une étude récente a caractérisé, pour la première fois, la géochimie des éléments traces des fractions lipidiques totales conservées dans les carbonates authigènes provenant de divers suintements à travers le monde, tels que les cônes du Congo, des fonds marins du Nil et du Niger, ainsi que le golfe du Mexique20, suggérant que une telle approche pourrait être utilisée pour identifier les métaux traces essentiels à l’activité microbienne dans les suintements froids. Une étude précédente avait rapporté un enrichissement marqué en Ni, Co, Mo et W dans des fractions lipidiques hébergées dans des carbonates, qui étaient liées à des voies enzymatiques précédemment identifiées impliquées dans l'AOM20. Néanmoins, les informations sur la manière dont l’AOM peut être influencée par les changements dans la biodisponibilité des métaux traces dans les suintements froids restent rares.

Récemment, des structures de monticules d’hydrates de gaz ont été découvertes dans les régions frontalières des Tchouktches (CB) de l’ouest de l’océan Arctique21. Des informations géochimiques sur l'origine des gaz émis et les propriétés du fluide interstitiel ont été obtenues au sein de cette structure de monticule lors de l'expédition ARA09C du R/V ARAON en 201822. Cependant, jusqu'à présent, les signatures biogéochimiques préservées dans les carbonates authigènes n'ont pas été étudiées dans ces gaz nouvellement découverts. hydrater les monticules. Dans cette étude, nous fournissons une caractérisation géochimique détaillée d'une série d'échantillons de carbonate authigène en utilisant les isotopes stables de l'oxygène et du carbone et la minéralogie, ainsi que l'abondance des oligo-éléments, des biomarqueurs lipidiques et des acides nucléiques. Les principaux objectifs de cette étude étaient de i) évaluer les principaux facteurs environnementaux contrôlant la précipitation des carbonates dans les monticules CB, ii) caractériser les caractéristiques géochimiques et de la communauté microbienne dans les monticules CB, et iii) évaluer la relation des métaux traces dans l'activité microbienne associée à l'AOM. en comparant nos nouvelles données sur les signatures géochimiques et microbiennes CB avec celles précédemment obtenues sur d'autres suintements dans le monde20. Notre objectif était de tester l'hypothèse selon laquelle des enrichissements spécifiques en oligo-éléments dans les fractions lipidiques totales extraites des carbonates authigènes pourraient être révélateurs d'une utilisation préférentielle des métaux traces par différentes communautés ANME. Notre étude apporte un nouvel éclairage sur les besoins en métalloenzymes des microbes impliqués dans l'AOM.