Rapp. Comm. int. Mer Médit., 36,2001

104

Introduction

In the Eastern Mediterranean, mud volcanoes form when tectoni-

cally over-pressured and methane-charged mud is extruded at the

sea?oor and re-deposited as mud breccia. Seven such structures at

depths between 1600 and 2000 m were explored with the Nautilesub-

mersible during the Medinaut cruise in 1998. An important discovery

was that the central parts of the mud volcanoes actively seep methane

to the bottom waters and are covered by carbonate crust pavements

formed by precipitation of aragonite and lesser quantities of high-Mg

calcite and dolomite in the shallow pore water of mud breccia deposits

(1,2).

Materials and Methods

In order to understand the geochemical and microbiological pro-

cesses that lead to carbonate crust formation, two carbonate crusts

r e 

c 

overed with the Nautile submersible from the Napoli and

Amsterdam mud volcanoes were investigated.We combined miner-

alogical (X-Ray diffraction) and stable isotope studies of the authi-

genic carbonate phase (2) with lipid biomarker analysis (GC, GC-MS,

HPLC), compound-specific carbon isotope measurements (3) (GC-

irm-MS) and 16SrRNA gene surveys conduced on the organic matter

extracted from the crusts.

Results and discussion

The carbonate cements have unusually low concentrations of 

13

C

indicating methane as the major source of carbon. Measured velues of

d

18

O of the Eastern Mediterranean crusts are considerably higher than

those expected for carbonates precipitating from modern eastern

Mediterranean bottom waters. Although this could re?ect precipitation

at lower temperatures, no significant temperature anomaly was mea-

sured during the Medinaut cruise. The 

18

O-enrichment is possibly due

to precipitation from 

18

O-rich water derived from the decomposition

of gas hydrates that are present in the studied mud volcanoes (1).

Other possible sources of 

18

O are the seepage of relic brines of

Messinian age that are present in the sedimentary succession of the

eastern Mediterranean and high temperature ?uid-rock interactions. 

Prior to carbonate crust formation, methane is oxidised and, at cold

seeps, this process is mediated by aerobic and/or anaerobic chemosyn-

thetic microorganisms. Simple chemical considerations predict that

aerobic methane oxidation produces acidity, favouring the dissolution

of carbonates, rather than their precipitation. Furthermore, pore water

chemical profiles in marine sediments suggest that most of the rising

methane could be consumed in the absence of oxygen. Knowledge of

the nature of the microorganisms which are involved in methane con-

sumption in anoxic environments, however, is incomplete (3,4). 

No evidence for the occurrence of aerobic bacteria performing

methane oxidation was found in the crusts, relevant diagnostic

biomarkers being virtually absent among lipids. In contrast, abundant

and highly diverse

13

C-depleted biomarkers specific of archaeabacte-

ria indicate that methane is assimilated by a diverse community of

archaea. Organic geochemical analyses also indicate that methane oxi-

dation is mediated by sulfate reducing bacteria.

Bacterial 16S rRNA gene surveys confirmed the absence of aerobic

methanotrophic bacteria. Archaeal 16S rRNA gene surveys identified

a great diversity of archaeal lineages, most of which are novel and pre-

viously uncharacterised. In agreement with lipid analyses, bacterial

16S rRNA gene surveys identified sequences of sulphateˆreducing

bacteria. These observations are consistent with the presence of a con-

sortium of prokaryotes composed of methane-consuming archaea and

sulphate reducing bacteria which is held responsible for the anaerobic

oxidation of methane in a variety of marine settings (5). 

Conclusion

Recent studies show that gas hydrate destabilisation following bot-

tom water temperature increase had profound effects on past global

climate. Authigenic carbonates formed through anaerobic methane

oxidation at cold seeps have the potential of recording such events.

The microbial processes we describe provide the easiest explanation

of their formation and could dominate at cold seeps worldwide.

Highly diverse microbial communities are involved supporting recent

propositions that microorganisms play a fundamental role in mineral

precipitation.

References

1. MEDINAUT/MEDINETH Shipboard Scientific Parties, 2000. Linking

Mediterranean brine pools and mud volcanism. EOS, Transactions81:

631-633.

2. Aloisi G., Pierre C., Rouchy J.-M. 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. 3.

3. Pancost R.D., Sinninghe Damsté J. S., de Lint S., van der Maarel

M.J.E.C., Gottshall J.C. and the Medinaut Shipboard Scientific Party,

2000. Biomarker evidence for widespread anaerobic methane oxidation

in Mediterranean sediments by a consortium of methanogenic archaea

and bacteria. Appl. Environ. Microbiol.66: 1126-1132.

4. Hinrichs K.-U., Hayes J.M., Sylva S.P., Brewer P.G. and DeLong E.F.,

1999. Methane-consuming archaeabacteria in marine sediments. Nature

398: 802-805.

5. 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.

INTEGRATED STUDIES OF CARBONATE CRUSTS FORMED THROUGH MICROBIAL ACTIVITY

ON SUBMARINE MUD VOLCANOES

Giovanni Aloisi

1

,*, Ioanna Bouloubassi

2

, Sander K. Heijs

3

, Richard D. Pancost

4

, Catherine Pierre

1

,

Jaap S. Sinninghe Damsté

5

, Jan C. Gottschal

3

, Larry J. Forney

6

, Jean-Marie Rouchy

7

and the MEDINAUT shipboard scientific party

1

Laboratoire d'Océanographie Dynamique et de Climatologie, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France - vanni@lodyc.jussieu.fr

2

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

3

Department of Microbiology, Centre for Ecological and Evolutionary Studies (CEES), University of Groningen, The Netherlands

4

Organic Geochemistry Unit, School of Geochemistry, University of Bristol, Bristol BS8 1TS

5

Netherlands Institute for Sea Research, Department of Marine Biogeochemistry and Toxicology, Den Burg (Texel), The Netherlands

6

Department of Biological Sciences, University of Idaho, Moscow, Idaho, USA 

7

Laboratoire de Géologie (CNRS-ESA 7073). Muséum National d'Histoire Naturelle, Paris, France

Abstract

Authigenic carbonate crusts formed through microbial methane oxidation are widespread at sea?oor cold seeps. They are a sink for

methane carbon migrating from depth or being released from shallow gas hydrates and thus, partly regulate ocean atmosphere carbon

?uxes.To investigate their formation we conducted an integrated microbial, mineralogical and organic geochemical study of authigenic

carbonate crusts recovered from mud volcanoes of the eastern Mediterranean. Our results show that carbonate crusts are formed in an

anaerobic environment through anaerobic methane oxidation. This process is mediated by diverse consortia of prokaryotes which include

previously uncharacterised methanotrophic archaeabacteria.

Keywords : Eastern Mediterranean, Mud volcanoes, Bacteria, Geochemistry, Mineralogy