Recent modeling indicates that up to 90 % of the top 3 m of Arctic permafrost will melt by 2090 as a result of climate change. This thawing is predicted to expand anaerobic environments and provide previously frozen carbon stores for microbial decomposition. This may favour methanogen production of methane (CH4), a greenhouse gas (GHG) 25 times more potent than carbon dioxide (CO2). This study examined the effects of increased temperatures and substrates on Archaeal and methanogenic abundance, activity and diversity in active layer and permafrost soils from Axel Heiberg Island in the Canadian high Arctic. This was completed through in situ measurements and two permafrost microcosms experiments. The first microcosm experiment was unamended at 4 and 15° C, and the second was amended with the 13C-labelled substrates: acetate, methanol and CO2, at 4 and 22° C. The activity of methanogens was determined by the anaerobic production of CO2 and CH4, and their diversity and abundance were determined by 454 pyrosequencing of the Archaeal 16S rRNA gene and qPCR of the methanogen mcrA gene. In addition, DNA stable isotope probing (SIP) determined the active community in the 70 cm 22°C CO2 microcosm sample. The production of CO2 in situ and in unamended microcosms correlated with organic matter and temperature but only increased with temperature in acetate-amended microcosms. The production of CH4 correlated with the combined effects of substrate and temperature, being highest with CO2 amendment. The Nitrososphaerales were the most abundant Archaeal order, averaging 88 % of total 454 pyrosequencing reads. The abundance and diversity of methanogens increased with depth, from 1 % of total Archaeal reads at 30 cm to 11 % at 70 cm, likely due to the increased anaerobicity. All of the methanogen orders were detected, but the most abundant were Methanomicrobiales and Methanococcales. The Methanomicrobiales also accounted for the highest increase in methanogens, from 9.5 % in the unamended core to 39.5 % in the 70 cm 4°C CO2 sample. However, this was not associated with an increase in CH4 production. The Methanopyrales were the only active order detected by DNA-SIP in the 70 cm 22°C CO2 sample, and correlated with the CH4 production in all 70 cm samples. Therefore, despite their low abundance, the Methanopyrales may play an important functional role in the production of CH4 in these high arctic polygon soils. As permafrost thaws, microbial decomposition of carbon stores is expected to increase the release CO2. Our results indicate that this increase in CO2 may promote the production of CH4 from Canadian high Arctic polygon soils. / Des prévisions récent indiquent qu'avant 2090, jusqu'à 90% des 3 premiers mètres du pergélisol va s'effondre à cause du réchauffement climatique. Ceci augmente les environnements anaérobiques et expose de grandes réserves de carbone à la dégradation microbienne. Ces conditions sont favorables pour la production de méthane (CH4) par les méthanogènes, un gaz ayant un potentiel de réchauffement global 25 fois plus élevé que le dioxyde de carbone (CO2). L'impact de l'augmentation de la température et les substrats sur l'activité et la diversité des bactéries méthanogènes a été étudié dans les sols provenant de l'île d'Axel Heiberg, dans le haut Arctique canadien. La diversité et la production anaérobique de CH4 à partir des substrats : acétate, CO2 et méthanol à été déterminé à 4 et 22° C, et comparé aux productions in situ. La diversité à été déterminer par la « pyrosequencing » du gène de l'ARN ribosomal 16S des Archaeabactéries, et l'abondance par le PCR quantitatif du gène mcrA des méthanogènes. En plus, l'identification des méthanogènes impliquées dans la dégradation du CO2 a été déterminé par la technique appelée « stable isotope probing » (SIP) de l'ADN. La production de CO2 in situ et dans les microcosmes incubés sans substrats était positivement corrélé avec la quantité de matière organique et la température, mais a seulement augmenter avec l'aétate. La production de CH4 était positivement corrélé avec le niveau anaérobique, la température et les substrats, et a été le plus haut avec le CO2. Les Nitrosophaerales étaient l'ordre le plus abundant, constituant 88 % des séquences Archaeabactériens. L'abondance et la diversité des méthanogènes a augmenté avec la profondeur, constituant 1 % des séquences à 30 cm, et 11 % des séquences à 70 cm à cause de l'anaerobicité dans ce dernier. Tous les ordres de méthanogènes ont été détectés, mais les plus communs étaient les Methanomicrobiales et Methanococcales. Les Methanomicrobiales ont aussi augmentés le plus, justqu'à 39.5 % dans le microcosm de 70 cm incubé à 4°C avec le CO2. Cependant, cette augmentation n'a pas été associée avec un augmentation de la production de CH4. Les Methanopyrales ont été le seul ordre impliqué dans l'utilisation du CO2 par le SIP dans le microcosm de 70 cm incubé à 22°C avec le CO2, et donc pourrait avoir un rôle fonctionnel important dans la production de CH4. Comme les prévisions indiquent le CO2 va augmenter considérablement avec le fonds du pergélisol et relâcher du carbone stocké, nos résultats indiquent que ceci pourrait augmenter la production de CH4 provenant des sols de type polygone dans le haut Arctique canadien.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114391 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Allan, Jennifer |
| Contributors | Lyle Whyte (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Natural Resource Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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