Published September 27, 2016 | Version v1
Publication Open

Microbial contributions to subterranean methane sinks

  • 1. Indiana University Bloomington
  • 2. Vietnam National University, Hanoi
  • 3. Indiana Geological and Water Survey
  • 4. United States Geological Survey

Description

Sources and sinks of methane (CH4 ) are critical for understanding global biogeochemical cycles and their role in climate change. A growing number of studies have reported that CH4 concentrations in cave ecosystems are depleted, leading to the notion that these subterranean environments may act as sinks for atmospheric CH4 . Recently, it was hypothesized that this CH4 depletion may be caused by radiolysis, an abiotic process whereby CH4 is oxidized via interactions with ionizing radiation derived from radioactive decay. An alternate explanation is that the depletion of CH4 concentrations in caves could be due to biological processes, specifically oxidation by methanotrophic bacteria. We theoretically explored the radiolysis hypothesis and conclude that it is a kinetically constrained process that is unlikely to lead to the rapid loss of CH4 in subterranean environments. We present results from a controlled laboratory experiment to support this claim. We then tested the microbial oxidation hypothesis with a set of mesocosm experiments that were conducted in two Vietnamese caves. Our results reveal that methanotrophic bacteria associated with cave rocks consume CH4 at a rate of 1.3-2.7 mg CH4 · m-2 · d-1 . These CH4 oxidation rates equal or exceed what has been reported in other habitats, including agricultural systems, grasslands, deciduous forests, and Arctic tundra. Together, our results suggest that depleted concentrations of CH4 in caves are most likely due to microbial activity, not radiolysis as has been recently claimed. Microbial methanotrophy has the potential to oxidize CH4 not only in caves, but also in smaller-size open subterranean spaces, such as cracks, fissures, and other pores that are connected to and rapidly exchange with the atmosphere. Future studies are needed to understand how subterranean CH4 oxidation scales up to affect local, regional, and global CH4 cycling.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعتبر مصادر ومصارف الميثان (CH4 ) حاسمة لفهم الدورات الكيميائية الحيوية العالمية ودورها في تغير المناخ. أفاد عدد متزايد من الدراسات أن تركيزات الميثان في النظم الإيكولوجية للكهوف قد استنفدت، مما أدى إلى فكرة أن هذه البيئات الجوفية قد تعمل كمصارف للميثان في الغلاف الجوي. في الآونة الأخيرة، تم افتراض أن استنفاد CH4 هذا قد يكون ناتجًا عن التحلل الإشعاعي، وهي عملية لاأحيائية يتأكسد فيها CH4 من خلال التفاعلات مع الإشعاع المؤين المشتق من الاضمحلال الإشعاعي. التفسير البديل هو أن استنفاد تركيزات الميثان في الكهوف يمكن أن يكون بسبب العمليات البيولوجية، وتحديداً الأكسدة بواسطة بكتيريا الميثانوتروفيك. استكشفنا نظريًا فرضية التحلل الإشعاعي وخلصنا إلى أنها عملية مقيدة حركيًا من غير المرجح أن تؤدي إلى الفقدان السريع للميثان في البيئات الجوفية. نقدم نتائج تجربة معملية خاضعة للرقابة لدعم هذا الادعاء. ثم اختبرنا فرضية الأكسدة الميكروبية بمجموعة من تجارب الكون المتوسط التي أجريت في كهفين فيتناميين. تكشف نتائجنا أن البكتيريا المغذية للميثان المرتبطة بصخور الكهوف تستهلك CH4 بمعدل 1.3-2.7 ملغ CH4 · m -2 · d -1. تساوي معدلات أكسدة الميثان هذه أو تتجاوز ما تم الإبلاغ عنه في الموائل الأخرى، بما في ذلك النظم الزراعية والمراعي والغابات المتساقطة والتندرا القطبية الشمالية. تشير نتائجنا معًا إلى أن تركيزات الميثان المستنفدة في الكهوف ترجع على الأرجح إلى النشاط الميكروبي، وليس التحلل الإشعاعي كما زُعم مؤخرًا. لدى التغذية بالميثان الميكروبية القدرة على أكسدة الميثان ليس فقط في الكهوف، ولكن أيضًا في المساحات الجوفية المفتوحة الأصغر حجمًا، مثل الشقوق والشقوق والمسام الأخرى المرتبطة بالغلاف الجوي وتتبادله بسرعة. هناك حاجة إلى دراسات مستقبلية لفهم كيفية توسع أكسدة الميثان تحت الأرض للتأثير على دورة الميثان المحلية والإقليمية والعالمية.

Translated Description (French)

Les sources et les puits de méthane (CH4 ) sont essentiels pour comprendre les cycles biogéochimiques mondiaux et leur rôle dans le changement climatique. Un nombre croissant d'études ont rapporté que les concentrations de CH4 dans les écosystèmes de grottes sont épuisées, ce qui conduit à l'idée que ces environnements souterrains peuvent agir comme des puits de CH4 atmosphérique. Récemment, il a été émis l'hypothèse que cette déplétion en CH4 peut être causée par la radiolyse, un processus abiotique par lequel le CH4 est oxydé via des interactions avec le rayonnement ionisant dérivé de la désintégration radioactive. Une autre explication est que l'épuisement des concentrations de CH4 dans les grottes pourrait être dû à des processus biologiques, en particulier l'oxydation par des bactéries méthanotrophes. Nous avons théoriquement exploré l'hypothèse de la radiolyse et conclu qu'il s'agit d'un processus cinétiquement contraint qui est peu susceptible de conduire à la perte rapide de CH4 dans les environnements souterrains. Nous présentons les résultats d'une expérience de laboratoire contrôlée à l'appui de cette affirmation. Nous avons ensuite testé l'hypothèse de l'oxydation microbienne avec un ensemble d'expériences en mésocosme qui ont été menées dans deux grottes vietnamiennes. Nos résultats révèlent que les bactéries méthanotrophes associées aux roches cavernicoles consomment du CH4 à un taux de 1,3-2,7 mg de CH4 · m-2 · j-1 . Ces taux d'oxydation du CH4 égalent ou dépassent ce qui a été rapporté dans d'autres habitats, y compris les systèmes agricoles, les prairies, les forêts de feuillus et la toundra arctique. Ensemble, nos résultats suggèrent que les concentrations appauvries de CH4 dans les grottes sont très probablement dues à l'activité microbienne, et non à la radiolyse comme cela a été récemment affirmé. La méthanotrophie microbienne a le potentiel d'oxyder le CH4 non seulement dans les grottes, mais aussi dans les espaces souterrains ouverts de plus petite taille, tels que les fissures, les fissures et autres pores qui sont connectés à l'atmosphère et échangent rapidement avec elle. De futures études sont nécessaires pour comprendre comment l'oxydation souterraine du CH4 s'étend pour affecter le cycle local, régional et mondial du CH4.

Translated Description (Spanish)

Las fuentes y sumideros de metano (CH4 ) son fundamentales para comprender los ciclos biogeoquímicos globales y su papel en el cambio climático. Un número creciente de estudios han informado que las concentraciones de CH4 en los ecosistemas de las cuevas están agotadas, lo que lleva a la noción de que estos ambientes subterráneos pueden actuar como sumideros para el CH4 atmosférico. Recientemente, se planteó la hipótesis de que este agotamiento de CH4 puede ser causado por la radiólisis, un proceso abiótico mediante el cual el CH4 se oxida a través de interacciones con la radiación ionizante derivada de la desintegración radiactiva. Una explicación alternativa es que el agotamiento de las concentraciones de CH4 en las cuevas podría deberse a procesos biológicos, específicamente a la oxidación por bacterias metanotróficas. Exploramos teóricamente la hipótesis de la radiólisis y concluimos que es un proceso cinéticamente restringido que es poco probable que conduzca a la rápida pérdida de CH4 en ambientes subterráneos. Presentamos los resultados de un experimento de laboratorio controlado para respaldar esta afirmación. Luego probamos la hipótesis de la oxidación microbiana con un conjunto de experimentos de mesocosmos que se llevaron a cabo en dos cuevas vietnamitas. Nuestros resultados revelan que las bacterias metanotróficas asociadas con las rocas rupestres consumen CH4 a una tasa de 1.3-2.7 mg CH4 · m-2 · d-1 . Estas tasas de oxidación de CH4 igualan o superan lo que se ha informado en otros hábitats, incluidos los sistemas agrícolas, los pastizales, los bosques caducifolios y la tundra ártica. En conjunto, nuestros resultados sugieren que las concentraciones agotadas de CH4 en las cuevas probablemente se deban a la actividad microbiana, no a la radiólisis, como se ha afirmado recientemente. La metanotrofia microbiana tiene el potencial de oxidar CH4 no solo en cuevas, sino también en espacios subterráneos abiertos de menor tamaño, como grietas, fisuras y otros poros que están conectados e intercambian rápidamente con la atmósfera. Se necesitan estudios futuros para comprender cómo la oxidación subterránea de CH4 se amplía para afectar el ciclo de CH4 local, regional y global.

Files

034801.full.pdf.pdf

Files (129.9 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:90e6456d03edba0b8af34416c492c71a
129.9 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
المساهمات الميكروبية في أحواض الميثان الجوفية
Translated title (French)
Contributions microbiennes aux puits de méthane souterrains
Translated title (Spanish)
Contribuciones microbianas a los sumideros subterráneos de metano

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2951831028
DOI
10.1111/gbi.12214

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Vietnam

References

  • https://openalex.org/W1872969702
  • https://openalex.org/W1920687365
  • https://openalex.org/W1986003600
  • https://openalex.org/W1993728319
  • https://openalex.org/W1994087768
  • https://openalex.org/W1994225779
  • https://openalex.org/W1999320371
  • https://openalex.org/W2005029476
  • https://openalex.org/W2010828889
  • https://openalex.org/W2018069691
  • https://openalex.org/W2019615089
  • https://openalex.org/W2025733730
  • https://openalex.org/W2030405935
  • https://openalex.org/W2104706381
  • https://openalex.org/W2130018508
  • https://openalex.org/W2142073035
  • https://openalex.org/W2145664211
  • https://openalex.org/W2157970685
  • https://openalex.org/W2337214214
  • https://openalex.org/W2398047876
  • https://openalex.org/W2419299653