Rapp. Comm. int. Mer Médit., 36,2001

45

Mud volcanism in the Eastern Mediterranean Sea has been a subject of con-

siderable investigation for the past several years for several reasons. Among

these are the potential contributions of methane from mud volcanoes and relat-

ed cold seeps to the atmosphere and subsequently to global warming, and also

the impact of mud volcanism on the chemical budget of bottom waters1.

Recently, multiple expeditions to study mud volcanoes and related cold seeps in

the eastern Mediterranean were undertaken by a joint Dutch-French multi-dis-

ciplinary investigation (the M

EDINAUT

andM

EDINETH

cruises, see 1 for details).

One of the major topics of investigation of the M

EDINAUT

/M

EDINETH

expedi-

tions has been the biogeochemical processes involved in scavenging methane

that would otherwise be released into the atmosphere, potentially contributing

to global warming. A number of recent studies have implicated the process of

AMO, performed by a consortium of methane oxidizing archaea and sulfate

reducing bacteria, as the primary process consuming methane in anoxic sedi-

ments before it is released to the overlying watercolumn (2-4). Authigenic car-

bonates are often observed to form in conjunction with the anerobic oxidation

of methane (5-7). 

One of the most diagnostic indicators of AMO has been the identification of

organic biomarker compounds linked to methanogenic archaea and sulfate

reducing bacteria that are extremely depleted in 

13

C relative to typical biomass

(2,4,6,8,9). For example, 

d

13

C values in the range of –80‰ to-100‰ have been

identified in biomarkers from eastern Mediteranean mud volcanoes (3), cold

seeps from the California margin (2), and Miocene carbonate crusts (9), among

others. Despite intensive study in recent years, however, much remains unclear

about the processes and organisms involved in AMO. Among the questions still

under debate are the specific biogeochemical pathways involved in AMO, the

specific organisms responsible for AMO, and the possible diversity of the anaer-

obic methane oxidizing microbial community.The present study attempts to

constrain these variables using molecular isotopic studies of sediments and car-

bonate crusts from eastern Mediterranean mud volcanoes. Specifically, we are

investigating spatial variability in the lipid distributions and the relative carbon

isotopic signatures of AMO related biomarkers in these different environments.

A sediment core was taken for this study from Kazan mud volcano in the

Anaximander Mountains area (MNLBC19, 35º25.950’N, 30º33.679’E, water

depth 1673 m). The core was analyzed for archaeal and bacterial biomarkers

that could be associated with AMO. Archaeal biomarkers identified include

glycerol diethers such as archaeol and hydroxyarchaeol, saturated and unsatu-

rated isomers of the irregular isoprenoid pentamethylicosane (PMI), and a series

of glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGT’s) which had previously been

attributed to anaerobic methane oxidizing archaea (10). All of these compounds

had concentration maxima at a depth corresponding to the current depth at

which AMO was expected to be occurring based on pore water profiles of

methane and sulfate concentration (Fig.1). The carbon isotopic compositions of

these compounds ranged from –85‰

to –105‰, suggesting the possibility

of either contributions from different

archaea utilizing methane or its

derivatives, spatial or temporal varia-

tions in the 

d

13C of methane, or vari-

ations in carbon isotopic fractionation

associated with the pathways of

methane-derived carbon assimilation

and biosynthesis of different lipids. 

A number of bacterial biomarkers

were also identified, including C30

hopanoids such as tetrahy 

m 

a 

n o 

l 

,

which has not previously been associ-

ated with AMO, and a series of

dialkyl glycerol diethers previously

associated with AMO as well as pre-

viously unidentified glycerol diethers (Fig. 2). The carbon isotopic composi-

tions of these bacterial markers lie in the range of –70‰ to –93‰. The fact that

these biomarkers are slightly less depleted than those attributed to archaea sup-

ports the hypothesis that the bacteria are utilizing methane-derived carbon pro-

vided by the methane oxidizing

archaea, and in fact, this series of non-

isoprenoid diethers is extremely likely

to be derived from sulfate reducing

bacteria. Prev 

i 

o 

u s 

l 

y, these diethers

have only been identified in carbonate

crusts related to AMO, where they

were a significant fraction of the

extractable organic matter. Pa 

r 

a 

l 

l 

e 

l

gene surveys of the crust reve 

a 

l 

e 

d

unknown archaeal and bacterial strains

most closely related to methanogens

and sulfate reducers. The distributions

of these archaeal and bacterial

b 

i 

o 

m a 

r 

kers vary significantly ove 

r

very small spatial scales of only 10 cm.

AMO related biomarkers such as both

archaeal and bacterial diethers, for example, dominate the polar fraction of the

extracted organic matter at 20 cm, and decrease significantly in shallower sedi-

ments. Also, the relative concentrations of archaeol and hydroxyarchaeol vary

significantly over the 30 cm length of the core, and the carbon isotopic compo-

sitions of these compounds vary over a range of more than 30‰. The existence

of AMO related biomarkers in near surface sediments, however, suggests that

the zone of AMO has migrated within the sediments over time, and that what

we currently observe is merely a snapshot of current conditions rather than an

accurate representation of long term conditions. Thus, these observations sug-

gest differences not only in the availability of methane and the size of the

methane oxidizing archaeal community over just a few centimeters sediment

depth, but also over potentially short temporal scales. In addition, at least one

biomarker was identified, 5a-cholestane, which is probably derived from

eukaryotes and has a carbon isotopic composition of –52‰, suggesting that

even eukaryotic organisms may be ultimately partially utilizing methane-

derived carbon sourced from cold seeps associated with eastern Mediterranean

mud volcanism. Finally, the presence of this series of bacterial diethers, which

we have previously identified only in cold seep related carbonate crusts, sug-

gests that similar organisms may be responsible for AMO in multiple environ-

ments. Conversely, the relative distributions of lipids in crusts and sediments are

very different, suggesting that the overall microbial community probably varies

considerably between different environments in which anaerobic methane oxi-

dation is occurring.

References

1. MEDINAUT/MEDINETH Shipboard Scientific Parties (2000) Linking Mediterranean brine

pools and mud volcanism. EOS, Trans. Am. Geophys. Un., 81:625-632.

2. Hinrichs, K.-U., J.M. Hayes, S.P. Silva, P.G. Brewer, and E.F. DeLong (1999) Methane-con-

suming archaebacteria in marine sediments. Nature, 398:802-805.

3. Pancost, R.D., J.S. Sinninghe Damsté, S. de Lint, M.J.E.C. van der Maarel, J.C. Gottschal, and

the MEDINAUT Shipboard Scientific Party (2000) Biomarker evidence for widespread anaerobic

methane oxidation in Mediterranean sediments by a consortium of methanogenic archaea and bac-

teria.App. Environ. Microbiol. 66:1126-1132.

4. Boetius, A, K. Ravenschlag, C.J. Schubert, D. Rickert, F.Widdel, A. Gieseke, R. Amann, B.B.

Jorgensen, U. Witte, and O. Pfannkuche (2000) A marine microbial consortium apparently medi-

ating anaerobic oxidation of methane. Nature, 407:623-626.

5. Aloisi, G., C. Pierre, J.-M. Rouchy, J.-P. Fouher, J. Woodside, and the MEDINAUT Scientific

Party (2000) Methane-related authigenic carbonates of eastern Mediterranean Sea mud volcanoes

and their possible relation to gas hydrate destabilisation. Earth Planet. Sci. Lett.,184:321-338.

6. Thiel, V., J. Peckmann, H.H. Richnow, U. Luth, J. Reitner, and W. Michaelis (2001) Molecular

signals for anaerobic methane oxidation in Black Sea seep carbonates and a microbial mat.Mar.

Chem., 73:97-112.

7. Stakes, D.S., D. Orange, J.P. Paduan, K.A. Salamy, and N. Maher (1999) Cold-seeps and authi-

genic carbonate formation in Monterey Bay, California. Mar. Geol., 159:93-109. 

8. Elvert, M., E. Suess, J. Greinert, and M.J. Whiticar (2000) Archaea mediating anaerobic

methane oxidation in deep-sea sediments at cold seeps of the eastern Aleutian subduction zone.

Org. Geochem.31:1175-1187.

9. Thiel, V., J. Peckmann, R. Seifert, P.Wehrung, J. Rietner, and W. Michaelis (1999) Highly iso-

topically depleted isoprenoids: Molecular markers for ancient methane venting. Geochim.

Cosmochim. Acta, 63:3959-3966.

10. Pancost, R.D., E.C. Hopmans, J.S. Sinninghe Damsté, and the MEDINAUT Shipboard

Scientific Party (in press) Archaeal lipids in Mediterranean cold seeps: Molecular proxies for

anaerobic methane oxidation. Geochim. Cosmochim. Acta.

EVIDENCE FROM ISOTOPICALLY DEPLETED ARCHAEAL AND BACTERIAL BIOMARKERS 

IN EASTERN MEDITERRANEAN MUD VOLCANOES FOR CARBON CYCLING IN SPATIALLY

HETEROGENEOUS ANAEROBIC METHANE OXIDIZING MICROBIAL COMMUNITIES

Josef P.Werne

1

*, Marianne Baas

1

, Richard D. Pancost

1

, Ellen C. Hopmans

1

, Ioanna Bouloubassi

2

, Giovanni Aloisi

3

,

Ralf R. Haese

4

, Jaap S. Sinninghe Damsté

1

,

4

1

Dept. of Marine Biogeochemistry and Toxicology, Netherlands Institute for Sea Research, Texel, The Netherlands - werne@nioz.nl

2

Laboratoire de Physique et Chimi Marines, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France

3

Laboratoire d’Oceanographie Dynamique et de Climatologie, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France

4

Dept. of Geochemistry, Institute of Earth Sciences, University of Utrecht, The Netherlands

Significant amounts of methane are produced in marine sediments, but little escapes from the sediments to the overlying water column or

atmosphere. A number of recent studies have implicated anaerobic methane oxidation (AMO) as the primary process responsible for scav-

enging of methane in the sediments, yet the organisms, mechanisms, and pathways of carbon cycling in anaerobic methane oxidizing

microbial communities remain topics of significant debate. The present study is a molecular and isotopic assessment of the spatial varia-

tion and pathways of carbon cycling within the anaerobic methane oxidizing microbial community in mud volcanoes in the eastern

Mediterranean Sea.

Keywords: Eastern Mediterranean, Mud Volcanoes, Geochemistry, Organic Matter, Bacteria

Fig. 1.Depth profiles for pore water

methaneandsulfate,concentra-

tions of archaeal derived biomar-

kers (GDGT’s and dlycerol diethers)

and carbon isotopic compositions

Fig. 2.Partial gas chromatogram of

polar fraction of extractable organic

matterformKazanmudvolcano,

showingisotopicallydepleted

archaeal(archaeol,hydroxyar-

chaeol) and bacterial (tetrahymanol,

non isoprenoid dialkyl glycerol die-

thers)biomarhers,indicatingthat