Methane Dynamics in a Tropical Serpentinizing Environment: The Santa Elena Ophiolite, Costa Rica

Abstract

Uplifted ultramafic rocks represent an important vector for the transfer of carbon and reducing power from the deep subsurface into the biosphere and potentially support microbial life through serpentinization. This process has a strong influence upon the production of hydrogen and methane, which can be subsequently consumed by microbial communities. The Santa Elena Ophiolite (SEO) on the northwestern Pacific coast of Costa Rica comprises ∼250 km2 of ultramafic rocks and mafic associations. The climatic conditions, consisting of strongly contrasting wet and dry seasons, make the SEO a unique hydrogeological setting, where water-rock reactions are enhanced by large storm events (up to 200 mm in a single storm). Previous work on hyperalkaline spring fluids collected within the SEO has identified the presence of microorganisms potentially involved in hydrogen, methane, and methanol oxidation (such as Hydrogenophaga, Methylobacterium, and Methylibium spp., respectively), as well as the presence of methanogenic Archaea (such as Methanobacterium). Similar organisms have also been documented at other serpentinizing sites, however their functions have not been confirmed. SEO’s hyperalkaline springs have elevated methane concentrations, ranging from 145 to 900 µM, in comparison to the background concentrations (<0.3 µM). The presence and potential activity of microorganisms involved in methane cycling in serpentinization-influenced fluids from different sites within the SEO were investigated using molecular, geochemical, and modeling approaches. These results were combined to elucidate the bioenergetically favorable methane production and/or oxidation reactions in this tropical serpentinizing environment. The hyperalkaline springs at SEO contain a greater proportion of Archaea and methanogens than has been detected in any terrestrial serpentinizing system. Archaea involved in methanogenesis and anaerobic methane oxidation accounted from 40 to 90% of total archaeal sequences. Genes involved in methanogenic metabolisms were detected from the metagenome of one of the alkaline springs. Methanogenic activities are likely to be facilitated by the movement of nutrients, including dissolved inorganic carbon (DIC), from surface water and their infiltration into serpentinizing groundwater. These data provide new insight into methane cycle in tropical serpentinizing environments.

Las rocas ultramáficas levantadas representan un vector importante para la transferencia de carbono y el poder reductor desde el subsuelo profundo hacia la biosfera y potencialmente sustentan la vida microbiana a través de la serpentinización. Este proceso tiene una fuerte influencia en la producción de hidrógeno y metano, que posteriormente pueden ser consumidos por las comunidades microbianas. La ofiolita de Santa Elena (SEO) en la costa noroeste del Pacífico de Costa Rica comprende ~250 km2 de rocas ultramáficas y asociaciones máficas. Las condiciones climáticas, consistentes en estaciones húmedas y secas fuertemente contrastadas, hacen del SEO un escenario hidrogeológico único, donde las reacciones agua-roca se ven potenciadas por grandes tormentas (hasta 200 mm en una sola tormenta). Trabajos previos sobre fluidos de manantiales hiperalcalinos recolectados dentro de la SEO han identificado la presencia de microorganismos potencialmente involucrados en la oxidación de hidrógeno, metano y metanol (como Hydrogenophaga, Methylobacterium y Mthylibium spp., respectivamente), así como la presencia de Archaea metanogénica ( como Methanobacterium). También se han documentado organismos similares en otros sitios de serpentinización, sin embargo, sus funciones no han sido confirmadas. Los manantiales hiperalcalinos de SEO tienen concentraciones elevadas de metano, que van desde 145 a 900 µM, en comparación con las concentraciones de fondo (<0,3 µM). Se investigó la presencia y la actividad potencial de los microorganismos involucrados en el ciclo del metano en fluidos influenciados por la serpentinización de diferentes sitios dentro del SEO utilizando enfoques moleculares, geoquímicos y de modelado. Estos resultados se combinaron para dilucidar la producción bioenergéticamente favorable de metano y/o las reacciones de oxidación en este ambiente serpentinizante tropical. Los manantiales hiperalcalinos en SEO contienen una mayor proporción de Archaea y metanógenos de lo que se ha detectado en cualquier sistema serpentinizante terrestre. Las arqueas involucradas en la metanogénesis y la oxidación anaeróbica de metano representaron del 40 al 90% del total de secuencias de arqueas. Se detectaron genes implicados en metabolismos metanogénicos a partir del metagenoma de uno de los manantiales alcalinos. Es probable que las actividades metanogénicas se vean facilitadas por el movimiento de nutrientes, incluido el carbono inorgánico disuelto (DIC), desde las aguas superficiales y su infiltración en las aguas subterráneas serpentinizantes. Estos datos brindan una nueva perspectiva del ciclo del metano en ambientes serpentinizantes tropicales.