doi: 10.1038/ngeo2069 carbon isotope ... - media.nature.com1 carbon isotope equilibration during...

17
Marcos Y. Yoshinaga 1*† , Thomas Holler 2† , Tobias Goldhammer 1 , Gunter Wegener 1,2,3* , John W. Pohlman 4 , Benjamin Brunner 2 , Marcel M. M. Kuypers 2 , KaiUwe Hinrichs 1 , Marcus Elvert 1 1. MARUM Center for Marine Environmental Sciences and Department of Geosciences, University of Bremen, D28359 Bremen, Germany; 2. Max Planck Institute for Marine Microbiology, D28359 Bremen, Germany; 3. Alfred Wegener Institute for Marine Ecology and Technology, HGFMPG Research Group for Deep Sea Ecology and Technology, D27515 Bremerhaven, Germany; 4. U.S. Geological Survey, Woods Hole Coastal and Marine Science Center, Woods Hole, Massachusetts 02543, USA. * Email: [email protected]; [email protected]; † these authors contributed equally to this work. Supplementary Information Table of Contents 1. Culture Experiments 2. Detailed method description and evaluation of background methanogenesis 3. Compilation of global flux data 4. Isotope mass balance model 5. Supplementary References Carbon isotope equilibration during sulphate-limited anaerobic oxidation of methane SUPPLEMENTARY INFORMATION DOI: 10.1038/NGEO2069 NATURE GEOSCIENCE | www.nature.com/naturegeoscience 1 © 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Upload: others

Post on 27-May-2020

7 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  1  

Carbon  isotope  equilibration  during  sulphate-­‐limited  anaerobic  oxidation  of  

methane  

Marcos  Y.  Yoshinaga1*†,  Thomas  Holler2†,  Tobias  Goldhammer1,  Gunter  Wegener1,2,3*,  John  W.  

Pohlman4,  Benjamin  Brunner2,  Marcel  M.  M.  Kuypers2,  Kai-­‐Uwe  Hinrichs1,  Marcus  Elvert1  

1.  MARUM  Center  for  Marine  Environmental  Sciences  and  Department  of  Geosciences,  University  of  Bremen,  D-­‐28359  

Bremen,  Germany;  2.  Max  Planck  Institute  for  Marine  Microbiology,  D-­‐28359  Bremen,  Germany;  3.  Alfred  Wegener  

Institute  for  Marine  Ecology  and  Technology,  HGF-­‐MPG  Research  Group  for  Deep  Sea  Ecology  and  Technology,  D-­‐27515  

Bremerhaven,  Germany;  4.  U.S.  Geological  Survey,  Woods  Hole  Coastal  and  Marine  Science  Center,  Woods  Hole,  

Massachusetts  02543,  USA.  

*  Email:  [email protected];  gwegener@mpi-­‐bremen.de;  †  these  authors  contributed  equally  to  this  work.  

 

Supplementary  Information  Table  of  Contents  

 

1.  Culture  Experiments  

2.  Detailed  method  description  and  evaluation  of  background  methanogenesis  

3.  Compilation  of  global  flux  data  

4.  Isotope  mass  balance  model  

5.  Supplementary  References  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Carbon isotope equilibration during sulphate-limited anaerobic oxidation of methane

SUPPLEMENTARY INFORMATIONDOI: 10.1038/NGEO2069

NATURE GEOSCIENCE | www.nature.com/naturegeoscience 1

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 2: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  2  

1.  Culture  experiments  

Sediment-­‐free  anaerobic  oxidation  of  methane  (AOM)  enrichment  cultures  were  retrieved  by  

continuous  incubation  of  methane  seep  sediments  obtained  from  Hydrate  Ridge  (offshore  Oregon,  

USA)  and  Amon  Mud  Volcano  (Mediterranean  Sea)  with  methane  and  sulphate  as  the  only  energy  

sources  (see  ref.  S1).  Background  methane  production  was  evaluated  in  these  AOM  cultures  

incubated  with  sulphate-­‐free  medium  and  both  N2:CO2  and  N2:CO2:H2  headspace.  Resulting  methane  

production  rates  were  compared  with  sulphide  production  values  (equal  to  methane  oxidation)  at  

AOM  conditions  (Eq.  1,  Supplementary  Fig.  S1).  Biotic  (methane-­‐free)  and  abiotic  (incubation  

medium  without  AOM  culture)  control  incubations  were  performed  (Supplementary  Fig.  S2)  to  verify  

the  carbon  isotope  effects  examined  in  sulphate-­‐limited  AOM  experiments  (Fig.  2  and  

Supplementary  Fig.  S3).  

 

2.  Detailed  method  description  and  evaluation  of  background  methanogenesis  

To  determine  background  methane  production  in  relation  to  AOM,  cultures  were  washed  4  

times  with  sulphate-­‐free  medium  with  pH  set  to  7.2  (via  addition  of  NaOH).  Aliquots  of  10  mL  that  

contained  similar  cell  density  were  transferred  into  20  mL  Hungate  culture  vials.  Background  

methanogenesis  was  evaluated  by  filling  the  headspace  with  2  atm  of  N2:CO2  (90:10;  all  gases  Air  

Liquide;  Düsseldorf,  Germany).  We  also  attempted  to  stimulate  methanogenesis  by  adding  a  

hydrogen-­‐enriched  headspace  of  2  atm  N2:CO2:H2  (45:15:40).  All  samples  were  continuously  shaken.  

Every  3  to  4  days,  1  mL  headspace  gas  was  sampled  with  a  gas  tight  glass  syringe  (gas  volume  was  

replaced  by  N2:CO2)  and  methane  concentrations  were  determined  by  gas  chromatography  coupled  

to  a  flame  ionization  detector  (GC-­‐FID,  Focus  GC,  Thermo).  The  detection  limit  for  methane  

concentration  using  this  setup  was  1  ppm.  To  ensure  that  the  culture  was  metabolically  capable  of  

AOM  and  to  compare  rates  of  methane  production  to  methane  oxidation,  we  performed  parallel  

incubations  under  AOM  conditions  (10  mM  sulphate,  2  mM  methane).  Sulphide  production,  as  proxy  

for  AOM  activity,  was  determined  spectrophotometrically  via  copper  sulphide  formationS2.    

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 3: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  3  

 

Supplementary  Figure  S1|  Evaluation  of  background  methanogenesis  in  sulphate-­‐free  incubations  of  AOM  cultures  from  Hydrate  Ridge  (HR)  and  Amon  Mud  Volcano  (AMV).  Panels  a  and  c,  development  of  methane  (CH4)  concentrations  without  additional  energy  substrates  (triangles)  and  with  the  addition  of  0.8  mM  H2  headspace  (squares)  during  27  days.  Panels  b  and  d,  sulphide  (HS–)  production  (dots)  in  parallel  incubations  at  AOM  conditions  (10  mM  sulphate;  2  mM  CH4)  over  29  days.  Methane  production  (MP)  and  AOM  rates  were  calculated  from  the  gradient  of  monitored  methane  and  sulphide  concentrations.  Dilution  effects  from  sampling  were  considered.  Shaded  areas  represent  the  magnitude  of  methane  production  in  comparison  with  AOM.  

 

To  determine  the  carbon  isotope  effects  of  AOM  at  sulphate  limitation,  cell  material  was  

transferred  to  artificial  seawater  medium  with  reduced  sulphate  concentration  (1  mM)  compared  to  

seawater  (28  mM).  Incubation  medium  pH  was  set  to  7.2  via  addition  of  NaOH.  Cell  suspensions  were  

transferred  into  256  mL  culture  vials,  sealed  with  butyl  rubber  stoppers  and  the  headspace  was  

flushed  with  methane  (purity  5.5,  Air  Liquide,  Düsseldorf,  Germany).  Subsequently,  vials  were  filled  

completely  with  saturated  methane  medium  to  reach  a  starting  concentration  of  2  mM  methane.  

Samples  were  continuously  shaken  during  the  incubations.  For  geochemical  measurements,  5  mL  of  

the  medium  were  sampled  via  syringe  (every  2−3  days)  and  the  medium  was  concurrently  replaced  

with  sulphate-­‐,  methane-­‐  and  carbonate-­‐free  medium  to  avoid  gas  loss  into  the  headspace.  The  

dilution  effect  by  medium  replacement  was  taken  into  account  in  all  calculations  and  displayed  data.  

All  AOM-­‐performing  experiments  were  conducted  in  duplicates  (Fig.  2  and  Supplementary  Fig.  S3).  

For  methane  and  DIC  measurements,  sampled  medium  was  transferred  into  two  gas  tight  2.2  

mL  exetainer®  vials  (Labco,  Lampeter,  United  Kingdom)  filled  with  zinc  chloride  solution  (50  µL,  50%),  

HR

time (d)

AOM = 0.11 mmol L–1 d–1

AOM = 0.30 mmol L–1 d–1

10 15 20 25 3050time (d)

0.000.010.02 MP = 0.0005 mmol L–1 d–1

MP = 0.00008 mmol L–1 d–1

MP = 0.0008 mmol L–1 d–1

MP = 0.00006 mmol L–1 d–1

CH4 (m

M)

10 15 20 25 3050

time (d)10 15 20 25 3050

0.03

time (d)

0.000.010.02

CH4 (m

M)

10 15 20 25 3050

0.03

2.04.06.08.010.0

H S– (m

M)

H S– (m

M)

0.0

2.04.06.08.010.0

0.0

a b

c dAMV

range of CH4 concentrations

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 4: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  4  

and  1  mL  of  medium  was  replaced  by  helium.  From  this  set  of  samples,  methane  concentrations  

were  determined  using  gas  chromatography  coupled  to  a  flame  ionization  detector  (GC  14;  Shimadzu,  

Kyoto,  Japan)  equipped  with  a  Supel-­‐Q  Plot  column,  30  m  ×  0.53  mm  (Supelco,  St.  Louis,  MO,  USA).  

The  detection  limit  for  methane  concentration  using  this  setup  was  25  ppm.  The  elevated  initial  

methane  concentrations  might  have  been  underestimated  (e.g.  Fig.  2a,  d)  due  gas  phase  loss  and/or  

high  room  temperatures  above  20  °C  during  preparation  of  headspace-­‐free  incubations.  Methane  

carbon  composition  was  determined  by  coupled  gas  chromatography  (G  1530A;  Agilent  Santa  Clara,  

CA,  USA)  to  combustion  (CuO-­‐Ni-­‐Pt  catalyst;  940  °C)  isotope  ratio  mass  spectrometry  (Thermo  

Finnigan,  Bremen,  Germany),  respectively.  Analytical  error  for  carbon  (<  0.1‰)  was  checked  against  

an  external  methane  standard  of  known  isotopic  composition.  To  determine  DIC  isotopic  

composition  of  the  incubation  medium,  medium  was  transferred  into  butyl  rubber  sealed  glass  vials,  

gas  phase  was  exchanged  with  helium  and  samples  were  acidified  with  phosphoric  acid.  The  isotopic  

composition  of  the  released  CO2  was  measured  via  gas-­‐bench  coupled  to  isotope  ratio  mass  

spectrometry  (MAT  252,  Finnigan,  Bremen,  Germany)  and  values  were  measured  against  external  

standards  (Solnhofener  Plattenkalk),  which  was  calibrated  against  NBS19  (IAEA,  Vienna,  Austria).  

To  determine  the  sulphate  concentrations  of  the  medium,  sulphide  was  removed  (via  

precipitation  with  zinc  chloride)  and  sulphate  was  measured  from  50  times  diluted  medium  using  ion  

chromatography  (761  Compact  IC,  Ω  Metrohm,  Filderstadt,  Germany).  Sulphide  concentrations  were  

determined  from  ZnCl2  fixed  medium  by  colorimetric  determination  using  the  methylene  blue  

formation  reactionS3  in  a  small  assayS4.  

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 5: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  5  

 

Supplementary  Figure  S2|  Biotic  (methane-­‐free)  and  abiotic  (without  AOM  culture)  controls  for  the  sulphate-­‐limited  AOM  experiments  during  27  days.  From  left  to  right:  Panels  a  and  c,  development  of  sulphate  (SO4

2–)  and  sulphide  (HS–)  concentrations.  Methane  (CH4)  concentrations  remained  below  5  µM  throughout  incubation.  Panels  b  and  d,  development  of  δ13C  values  of  dissolved  inorganic  carbon  (DIC)  in  methane-­‐free  biotic  controls  for  AOM  cultures  from  Hydrate  Ridge  (HR)  and  Amon  Mud  Volcano  (AMV).  Panel  e,  development  of  CH4,  SO4

2–  and  HS–  concentrations  in  the  abiotic  control  incubation.  Error  bars  represent  analytical  imprecision  of  10%  for  CH4  concentrations.  Panel  f,  development  of  δ13C  values  of  DIC  and  CH4  in  the  abiotic  control.    

 

a b

c d

(mM

)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

-60

-58

-56

-24

-22

-20Abiotic control

(mM

)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

-60

-58

-56

-24

-22

-20

(mM

)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

-60

-58

-56

-24

-22

-20

e f

time (d)10 15 20 25 3050

time (d)10 15 20 25 3050

time (d)10 15 20 25 3050

time (d)10 15 20 25 3050

time (d)10 15 20 25 3050

time (d)10 15 20 25 3050

AMV, Biotic control

HR, Biotic control

AMV, Biotic control

HR, Biotic control

Abiotic control

!13C

(‰)

!13C

(‰)

!13C

(‰)

DIC

CH4

SO42–

HS–DIC

CH4

DICSO42–

HS–

SO42–

HS–

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 6: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  6  

 

Supplementary  Figure  S3  |  Experimental  data  (symbols)  and  model  output  (lines)  for  replicate  AOM  culture  incubations  Hydrate  Ridge  2  (left  column)  and  Amon  Mud  Volcano  2  (right  column).  From  top  to  bottom:  Panels  a  and  d,  development  of  measured  concentrations  of  methane  (CH4,  circles),  hydrogen  sulphide  (HS

–,  closed  triangles),  sulphate  (SO4

2–,  open  triangles),  along  with  a  first-­‐order  model  approach  (lines);  DIC  concentrations  were  derived  from  the  modelled  AOM  reaction;  methane  concentrations  are  plotted  with  10%  error  bars  due  to  analytical  imprecision.  Panels  b  and  e,  development  of  δ13C  values  (in  ‰)  for  measured  DIC  (black  dots)  and  CH4  (red  dots),  along  with  modelled  values  by  mass  balancing  (lines).  Panels  c  and  f,  ratio  of  back  flux  (ƒ–)  relative  to  AOM  net  reaction  (ƒnet)  as  the  main  variable  to  achieve  best  fit  for  measured  δ13CCH4  and  calculated  Gibbs  free  energies  for  AOM  (kJ  mol−1).    

3.  Compilation  of  global  sulphate  flux  data  

Location,  diffusive  flux  values,  stable  carbon  isotopic  composition  of  methane  and  DIC  and  

references  are  given  in  Supplementary  Table  S1.  Sedimentary  diffusive  fluxes  (Jsed)  of  dissolved  

sulphate  and  methane  into  the  sulphate-­‐methane  transition  zone  (SMTZ)  were  calculated  using  a  

modification  of  Fick’s  first  law  of  diffusionS5  (Eq.  S1):  

                  Equation  S1  

time (d)

(mM

)

Hydrate Ridge 2

time (d)10 15 20 25 30

0

0.5

1.0

1.5

2.0

5.0

6.0a

50

CH4

HS–

SO42–

DIC DIC

CH4

HS–

SO42–

Amon Mud Volcano 2

0

0.5

1.0

1.5

2.0

5.0

6.0

(mM

)

d

10 15 20 25 3050

time (d)

!40

!20

0

0

50

100

10 15 20 25 30

c

50

!Gr

ƒ – / ƒ

net (%

)

!40

!20

0

0

50

100!G

rf

time (d)10 15 20 25 3050

ƒ – / ƒ

net (%

)

b!20!22!24!26"13

C DIC

time (d)10 15 20 25 3050

!28!62!60!58!56

"13C CH

4

!64

e!20!22!24!26"13

C DIC

time (d)10 15 20 25 3050

!28!62!60!58!56

"13C C

H 4

!64

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 7: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  7  

with  Φ  the  sediment  porosity  and  Dsed  the  sedimentary  diffusion  coefficient.  The  concentration  

gradient  ∂c/∂x  is  based  on  a  linear  regression  of  concentration  data  versus  sediment  depth  directly  

above  the  SMTZ.  Dsed  is  calculated  by  correcting  the  seawater  diffusion  coefficient  (Dsw)  using  

Boudreau’s  lawS5  (Eq.  S2):  

                  Equation  S2  

We  used  a  sulphate  Dsw  value  of  5.72*10–6  cm2  s–1  (ref.  S6)  and  estimated  Φ  to  0.66  when  no  porosity  

value  was  available.  Figure  S4  provides  additional  examples  for  the  prevalence  of  carbon  isotope  

equilibration  during  AOM  in  sediments  from  different  oceanic  provinces.  

 

Supplementary  Table  S1.  Data  compilation  of  sulphate  and  methane  fluxes  (J  in  µmol  cm–2  yr–1)  into  the  SMTZ  from  various  oceanic  sediments.  δ13C  values  (in  ‰  VPDB)  of  methane  and  DIC  within  the  SMTZ  are  reported  and  the  ∆δ13CCH4  values  are  calculated  as  the  offset  in  δ13C  values  of  methane  in  the  methanogenic  zone  (MGZ)  and  at  the  SMTZ  (For  details  see  main  text  and  Fig.  1).  na  =  not  available  and  Refs.  =  references.    

Site/Core  information   J  SO4

2-­‐  J      

CH4  δ13C  SMTZ  

δ13C  MGZ  CH4    

∆δ13CCH4  SMTZ  Depth   Refs.  

Cascadia  Margin   DIC   CH4     (cmbsf)    Bullseye  Vent  2002  (C-­‐1)   3.7   -­‐2.7   -­‐46   -­‐112   -­‐80   32   478   S7*  

Bullseye  Vent  2002  (C-­‐2)   4.5   -­‐2.9   -­‐46   -­‐111   -­‐73   38   330   S7  

Bullseye  Vent  2002  (C-­‐3)   28.7   -­‐15.4   -­‐48   -­‐73   -­‐69   4   35   S7  

Bullseye  Vent  2002  (C-­‐4)   4.8   -­‐3.6   -­‐45   -­‐103   -­‐75   29   386   S7  

Bullseye  Vent2002  (C-­‐6)   7.9   -­‐4.3   -­‐47   -­‐109   -­‐74   35   250   S7  

Bullseye  Vent  2002  (C-­‐7)   2.9   -­‐3.0   -­‐43   -­‐106   -­‐75   31   586   S7  

Bullseye  Vent  2008  (C-­‐12)   22.9   -­‐16.4   -­‐42   -­‐72   -­‐62   9   170   S8  

Bullseye  Vent  2008  (C-­‐5)   4.8   -­‐3.0   -­‐42   -­‐101   -­‐87   14   420   S8  

Bullseye  Vent  2008  (C-­‐6)   2.9   -­‐2.6   -­‐40   -­‐104   -­‐76   28   520   S8  

Amnesiac  Vent  (C-­‐19)   13.0   -­‐8.9   -­‐51   -­‐94   -­‐78   16   230   S8  

Barkley  Canion  (C-­‐23)   18.1   -­‐12.8   -­‐21   -­‐56   -­‐43   13   110   S8  

IODP  311  (U1329)   1.0   -­‐0.5   -­‐25   -­‐105   -­‐64   41   935   S9,S10  

IODP  311  (U1327)   1.7   -­‐1.2   -­‐30   -­‐99   -­‐63   36   590   S10,S11  

IODP  311  (U1325)   6.1   -­‐1.5   -­‐21   -­‐102   -­‐71   31   290   S10,S11  

IODP  311  (U1326)   6.3   -­‐2.2   -­‐37   -­‐94   -­‐72   22   215   S10,S11  

                 

Porangahau  Ridge,  NZ                  

PC17   21.7   -­‐18.9   -­‐39   -­‐98   -­‐79   19   180   S12  

PC7   11.5   -­‐8.2   -­‐21   -­‐91   -­‐79   12   210   S12  

PC4   7.4   -­‐5.5   -­‐39   -­‐108   -­‐79   29   440   S12                    

Peru  and  Chile  margins                  

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 8: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  8  

Chilean  Margin  (C-­‐10)   9.8   -­‐7.1   -­‐28   -­‐101   -­‐79   22   190   S13  

Chilean  Margin  (C-­‐11)   18.6   -­‐15.5   -­‐49   -­‐87   -­‐66   22   80   S13  

Chilean  Margin  (C-­‐17)   16.8   -­‐14.0   -­‐53   -­‐90   -­‐61   28   200   S13  

Chilean  Margin  (C-­‐2)   8.8   -­‐7.3   -­‐23   -­‐90   -­‐79   11   200   S13  

Chilean  Margin  (C-­‐3)   8.5   -­‐4.9   -­‐21   -­‐90   -­‐82   8   250   S13  

ODP  Leg  201  (1227A)   0.5   -­‐0.2   -­‐25   -­‐84   -­‐55   28   2,000   S14,S15  

ODP  Leg  201  (1229A)   0.2   0.0   -­‐11   -­‐89   -­‐50   39   3,500   S14,S15                    

Gulf  of  Mexico                  

KC03-­‐05   9.7   -­‐9.7   -­‐62   -­‐107   -­‐85   22   450   S16  

KC03-­‐07   10.5   -­‐11.4   -­‐56   -­‐93   -­‐78   15   450   S16  

KC03-­‐19   5.9   -­‐6.2   -­‐58   -­‐104   -­‐72   32   350   S16  

MD02-­‐2751   13.4   -­‐9.2   -­‐63   -­‐90   -­‐73   16   300   S17  

GeoB10610   3.7   -­‐7.0   -­‐25   -­‐73   -­‐50   22   600   S18  

                 

Black  Sea                  

E  Black  Sea  (P824GC)   11.3   -­‐4.6   -­‐35   -­‐97   -­‐83   15   160   S19  

NW  Black  Sea  (core  214)   6.6   -­‐3.2   na   -­‐96   -­‐77   19   160   S20                    

Mud  Volcanoes                  

(Bonjardim  GeoB9051)   28.8   -­‐30.6   na   -­‐64   -­‐52   12   60   S21  

(CAMV  MSM1-­‐205)   44.7   -­‐8.4   -­‐12   -­‐53   -­‐47   6   140   S21  

GC38  NW   51.7   -­‐11.3   na   -­‐60   -­‐52   8   75   S22  

GC46  S   34.8   -­‐16.3   na   -­‐66   -­‐58   8   90   S22                    

Blake  Ridge                  

Kr-­‐140-­‐1  TC-­‐3   35.4   -­‐4.9   na   -­‐73   -­‐68   5   53   S23  

ODP  Leg  164  (995)   0.9   -­‐0.1   -­‐36   -­‐101   -­‐74   27   2,190   S24,S25  

ODP  Leg  164  (997)   0.8   na   -­‐31   -­‐102   -­‐67   35   2,130   S24,S25  

                 

Shallow  water                  Skagerrak,  Denmark  (Site  821GC)   36.1   -­‐12.0   na   -­‐82   -­‐76   6   70   S26  Eckernförde  Bay  (1993  Core)   39.9   -­‐10.7   -­‐2   -­‐71   -­‐63   8   30   S27  *  Methane  δ13C  values  are  firstly  reported  in  this  study.    

     

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 9: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  9  

 Supplementary  Figure  S4  |  Sulphate  flux  as  a  proxy  for  sulphate  availability  at  SMTZs,  and  its  relationship  with  the  prevalence  of  carbon  isotope  equilibration  during  AOM  in  sediments  from  different  oceanic  provinces.  a,  Scheme  from  exemplary  sites  under  distinct  regimes  of  sulphate  fluxes  into  the  SMTZ  (Cascadia  margin  Bullseye  Vent  2002  C-­‐1  and  C-­‐3,  respectively  left  and  right  panels).  Within  the  limits  of  SMTZs,  sulphate  availability  in  the  AOM  zone  (grey  area)  is  dependent  on  the  steepness  of  sulphate  profiles  (i.e.  concentration  gradients)  from  which  diffusive  fluxes  are  derived/calculated.  In  low  flux,  deep  SMTZs,  methane  overlaps  low  concentrations  of  sulphate.  Conversely,  high  flux,  shallow  SMTZs  higher  methane  concentrations  overlap  relatively  higher  sulphate  concentrations.  b,  Bullseye  vent  2002  (C-­‐6)S7.  c,  Core  19  from  Keathley  Canyon,  Gulf  of  MexicoS16.  d,  Core  10  from  the  mid-­‐Chilean  marginS13.  Depth  profiles  of  sulphate  and  methane  concentrations  are  shown  in  the  left  panels,  with  values  for  sulphate  fluxes  into  the  SMTZ  (J  SO4

2−  in  µmol  cm−2  yr−1).  Stable  carbon  isotope  profiles  of  methane  and  DIC  are  shown  in  the  right  panels  with  corresponding  Δδ13CCH4  (for  details  see  Main  Text  and  Supplementary  Table  S1).      

4.  Isotope  mass  balance  model  for  the  anaerobic  oxidation  of  methane  (AOM)  

The  simplified  isotope  mass-­‐balance  model  describes  the  incremental  development  of  δ13C  

of  dissolved  inorganic  carbon  (DIC)  and  methane  (CH4)  for  discrete  time  steps  during  the  incubation  

experiment.  The  model  consists  of  two  parts:  an  approximation  of  the  experimental  concentration  

time  series  of  CH4,  SO42–,  DIC  and  sulphide  (HS–)  together  with  a  thermodynamic  analysis  of  AOM,  

and  the  actual  isotope  mass  balance  based  on  this  concentration  time  series.  The  calculations  are  

stepwise,  so  that  δ13C  values  for  a  given  time  increment  t  are  calculated  from  the  preceding  time  

0 5 10 2015 0 3 6 129 15Methane (mM)

100

200

300

400

500

600

700

0

Dep

th (c

m)

50

100

150

200

250

300

350

0

Dep

th (c

m)

c

J SO42- = 5.9 J SO4

2- = 9.8

!"C = 32‰

[CH4]

0 4 8 12

[SO42-]

0 10 20 30

Sedi

men

t dep

th

[CH4]

Methane (mM)0 4 8 12

[SO42-]

Sulphate (mM)0 10 20 30

Low !ux (deep SMTZ) High !ux (shallow SMTZ)

Methane (mM)

Sulphate (mM)

0 2 4 86 10Methane (mM)

3020100Sulphate (mM)

0-120 -90 -60 -30"13C (‰)

CH4

DIC

100

200

300

400

500

600

700

0

Dep

th (c

m)

b

d

J SO42- = 7.9

Methane (mM)

Sulphate (mM) "13C (‰)

a

SMTZ

SMTZSMTZ

3020100 0-120 -90 -60 -30Sulphate (mM) "13C (‰)

3020100 0-120 -90 -60 -30

CH4 !"C = 22‰ CH4

!"C = 35‰ CH4

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 10: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  10  

increment  t-­‐1.  The  model  was  implemented  in  a  spreadsheet  that  can  be  handled  with  an  

appropriate  computer  program  (LibO  Calc®,  MS  Excel®  or  similar).  This  material  is  available  upon  

request  with  the  corresponding  authors.  

Concentration  time  series  and  thermodynamics  

To  approximate  the  experimental  concentration  time  series  and  to  create  an  incremental  

temporal  domain  for  the  isotope  calculations,  we  used  a  first-­‐order  reaction  model  for  CH4,  SO42–,  

bicarbonate  (HCO3–;  here  equal  to  DIC)  and  HS–.  The  k  value  of  the  fit  was  adjusted  to  the  

experimental  SO42–  data  (Eq.  S3),  as  we  considered  the  SO4

2–  data  the  most  reliable.  

                  Equation  S3  

with  c(SO42–)  the  sulphate  concentration  (mM),  k  the  first-­‐order  rate  constant  (s–1),  and  Δt  the  time  

increment  (s).  

According  to  the  AOM  net  reaction  equation  where  substrates  and  products  are  equimolar  (Eq.  S4)  

              Equation  S4  

we  obtain  CH4,  HCO3–  and  HS–  concentration  changes  Δc  for  each  time  increment  from  the  SO4

2–  time  

series  (Eq.  S5):  

          Equation  S5  

The  Gibbs  free  energy  for  the  net  AOM  reaction  (Eq.  S4)  was  calculated  for  each  time  step  according  

to  Eq.  S6  

          Equation  S6  

with  the  standard  energy  of  reaction  

    Equation  S7  

and  the  activity  of  substrates  and  products  (Eq.  S8)  in  seawater  (example  CH4)  

                  Equation  S8  

with  R  =  0.00831441  kJ  mol−1  K−1,  T  =  285.15  K  (HR)  and  293.15  (AMV),  respectively,  and  γ  and  ΔG0f  

values  listed  in  Supplementary  Table  S2.  

[ ] [ ][ ] [ ]−

−−

⋅⋅

⋅⋅+Δ=Δ 244

30,, ln

SOCHHSHCORTGG AOMrAOMr

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 11: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  11  

Supplementary  Table  S2.  Activity  coefficients  γ  and  Gibbs  energy  of  formation  ΔG0

f  for  AOM  reactants  and  products.  Data  from  refs.  S28  and  S29.    Species   γ   ΔG0

f       kJ  mol−1  CH4  (aq)   1   –34.39  SO4

2–   0.11   –744.6  HCO3

–   0.55   –586.8  HS–   0.55   12.05  H2O   1   –237.2  

 

Isotope  mass  balance  

The  realisation  of  the  isotope  mass  balance  is  technically  a  simplifying  term  of  combined  gain  

and  loss  in  the  two  relevant  carbon  pools,  CH4  and  HCO3–.  The  C  transfers  depend  on  the  relative  

proportion  of  the  AOM  reaction  components,  which  we  define  as  ƒ+  the  forward  and  ƒ–  the  catalytic  

backward  flux  (Supplementary  Fig.  S5).  Here,  ƒ–  is  the  main  variable  to  achieve  the  best  fit  of  the  

experimental  data.    

             

Supplementary  Figure  S5  |  Carbon  back  flux  in  AOM  illustrated  by  reaction  vectors  ƒ+  (forward  flux),  ƒ–  (backward  flux)  and  ƒnet  (sum  or  net  reaction)  modified  from  ref.  S30.  Arrows  lengths  indicate  rates  and  for  convenience  are  not  drawn  with  exact  proportionality.      

The  observable  net  reaction  ƒnet  is  the  balance  of  forward  and  backward  flux  (Eq.  S9)  and  by  definition  

set  to  100  %.  

!"#$ = ! !! ! !                     Equation  S9  

The  proportion  r  of  backward  and  forward  reaction  is  (Eq.  S10)  

! = " !" !

                    Equation  S10  

With  the  above  derivations,  we  set  up  the  δ13C  mass  balance  for  HCO3–  (here  abbreviated  as  DIC)  and  

CH4  (Eq.  S11,  S12)  

CH4 HCO3–

ƒ–

ƒ+

ƒnet

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 12: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  12  

!!"!"#! #$

!%"#! #$

=!!"!"#! #$"!

!%"#! #$"!

"$%"#! #$"!

"%"#! #$

%! !!" &

!!"!"#! #$"!

"!+ " ! ! !!"!!"# #$"!

"!"( )#$

%&

                Equation  S11  

and  

( )[ ]−−

+−−

−−

−⋅−−−

⋅−−

⋅=⋅

εδεδ

δδ

1,13

1,13

,1,

1,113

,13

11)( tDICttt

tDICttt

CrCr

cc

cCcC

CH4CH4CH4

CH4CH4CH4 ,,

        Equation  S12  

with  δ13C  the  stable  carbon  isotope  value  (‰PDB),  c  the  concentration  (mM),  and  ε  the  isotope  

enrichment  of  forward  (ε+)  and  backward  flux  (ε–).  By  convention,  ε  is  calculated  from  experimental  

isotope  fractionation  factors  to  

! = !" !"#""$$$%&'                   Equation  S13  

We  adopted  empirical  isotope  fractionations  (α+)  in  Hydrate  Ridge  and  Amon  Mud  Volcano  cultures  

(ref.  S1;  Supplementary  Table  S3)  for  the  forward  flux.  The  α–  values  that  we  employ  in  the  mass  

balance  are  intrinsic  to  the  isotope  effect  of  the  AOM  back  flux  and  represent  the  sum  of  the  isotope  

fractionation  of  the  forward  flux  and  the  pure  physicochemical  isotope  effects  of  the  CO2-­‐HCO3–  and  

CO2-­‐CH4  isotopic  equilibria  (refs.  S31,32).  For  the  calculation  of  the  isotope  signature  at  each  time  

point  t,  we  solved  Eq.  S11  and  S12  for  δ13CDIC,t  and  δ13CCH4,t,  respectively.  Finally,  the  best  fit  was  

achieved  by  adjusting  ƒ–  until  δ13CCH4  data  in  the  model  and  the  experiment  were  congruent  with  a  

deviation  of  ±0.1‰.  We  emphasize  that  the  step-­‐  or  kink-­‐like  nature  of  the  f–  adjustment  solely  

results  from  the  linear  approximation  of  f–,  and  does  not  represent  an  analytical  derivation  from  the  

δ13C  time  series.    

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 13: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  13  

Supplementary  Table  S3.  Parameterisation  for  isotope  mass  balance  calculations.  Starting  conditions  for  concentration  time  series,  isotope  values  and  isotope  fractionation  factors  employed  in  the  isotope  mass  balance  calculations.  Values  are  given  for  the  Hydrate  Ridge  (HR1,  HR2)  and  Amon  Mud  Volcano  (AMV1,  AMV2)  experiments.      Parameter   unit   HR1   HR2   AMV1   AMV2   Reference  

α+     1.012   1.012   1.019   1.019   S1  α–     1.094   1.094   1.099   1.099   S31,S32  T   °C   12   12   20   20   measured  δ13CCH4   ‰  PDB   –58.12   –58.02   –57.96   –58.07   measured  δ13CDIC   ‰  PDB   –20.95   –20.53   –21.51   –21.23   measured  c(SO4

2–)   mM   1.03   1.02   1.02   1.02   measured  c(CH4)   mM   2   2   2   2   estimated  c(HS–)   mM     0.15   0.19   0.20   0.22   measured  c(HCO3

–)   mM   5   5   5   5   estimated  kAOM   s–1   1.15*10–6   1.15*10–6   1.25*10–6   1.25*10–6   estimated  

 

Sensitivity  analysis  

We  tested  the  sensitivity  of  our  mass  balance  model  against  variations  in  the  initialized  CH4  

concentrations  and  the  carbon  isotopic  composition  of  DIC.  First,  we  constructed  a  confidence  belt  

for  the  underlying  CH4  concentration  time  series  by  calculating  the  AOM  first  order  reaction  with  

minimum  and  maximum  concentrations  using  all  measured  values  plus  their  analytical  error  of  10%  

(HR1:  1.5-­‐2.2  mM  CH4,  AMV1:  1.6-­‐2.4  mM  CH4;  Supporting  Fig.  S6a,  c).  Subsequently,  the  back  flux  

proportion  f–/fnet  was  fitted  considering  four  scenarios:  I)  minimum  CH4  concentration,  II)  maximum  

CH4  concentration,  III)  CH4  as  measured  at  time  zero,  and  IV)  2mM  CH4  as  used  in  the  applied  model  

(Main  Text  Fig.  2a,  d).  All  four  scenarios  started  with  identical  f–  values  and  continued  with  diverging  

values  during  the  later  stages  of  the  experiments  (Supplementary  Fig.  S6b,  d).  While  the  first-­‐order  

CH4  consumption  rate  remained  similar,  the  variable  residual  CH4  concentrations  obtained  from  each  

scenario  produced  different  results  towards  the  end  of  the  experiments.  In  scenarios  with  CH4  

concentrations  below  the  model  value  of  2  mM,  generally  lower  back  flux  adjustments  were  required,  

whereas  the  opposite  was  necessary  for  concentrations  above  2  mM.  Similar  results  have  been  

obtained  for  the  replicate  experiments  HR2  and  AMV2.  We  emphasize  that  the  marked  shift  from  

initial  f–  values  (HR1:  0.23,  AMV1:  0.45)  to  their  terminal  range  (HR1:  0.49–0.71,  AMV1:  0.66–0.96)  is  

the  most  critical  finding,  rather  than  the  range  of  the  terminal  values.  This  and  the  fact  that  

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 14: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  14  

increasing  f–  values  coincide  with  sulphate  depletion  below  0.5  mM  strongly  support  that  the  

observed  carbon  isotope  time  series  can  only  be  explained  by  increasing  carbon  back  flux  during  

sulphate-­‐limited  AOM.  

 

 

Supplementary  Figure  S6  |  Model  sensitivity  towards  initialized  methane  concentrations  in  experiments  HR1  (a,  b)  and  AMV1  (c,  d).  Panels  a  and  c:  Confidence  belt  for  CH4  concentration  time  series  according  to  the  first-­‐order  AOM  reaction  employed  in  the  mass  balance  model  for  four  scenarios  (grey  area  defined  by  lower  and  upper  limit  of  all  measured  values,  red  line:  cCH4,0=2mM;  dashed  line:  cCH4,0  as  measured).  Circles  represent  measured  CH4  concentrations  with  a  standard  analytical  error  (±  10  %).  Panels  b  and  d:  Corresponding  best  fit  model  results  showing  the  percentage  of  back  flux  (f–)  vs.  net  flux  (fnet).  The  best  fit  model  achieved  identical  values  for  f–  at  the  beginning  of  each  experiment,  and  diverging  values  in  the  later  course  of  the  experiments.  The  grey  area  represents  the  CH4  confidence  belt  examined  in  the  above  four  scenarios.  

 

Second,  we  tested  our  isotope  mass  balance  model  against  changes  in  δ13CDIC  that  were  

observed  in  the  biotic  controls  (Fig.  S2b,  d).  Applying  an  initial  variability  of  ±  2  ‰  in  the  measured  

δ13CDIC  on  the  isotope  mass  balance,  we  found  that  such  variability  triggers  a  maximum  deviation  in  

δ13CCH4  of  ±  0.7  ‰  at  the  end  of  the  experiments  HR1  and  AMV1.  This  effect  could  be  buffered  by  an  

CH4 (m

M)

Hydrate Ridge 1 Amon Mud Volcano 1

a

time (d)

ƒ– /

ƒ net (%

)

00 5 10 15 20 25 30

00 5 10 15 20 25 30

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 5 10 15 20 25 30

0

25

50

75

100

0 5 10 15 20 25 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

25

50

75

100

time (d) time (d)

time (d)

ƒ – / ƒ

net (%

)

c

b d

CH4 (m

M)

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 15: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  15  

average  increase  or  decrease  in  f–  values  of  1%,  which  is  small  in  comparison  to  the  overall  change  

from  initial  to  terminal  f–  values  (Supplementary  Figure  S6b,  d).  There  is  no  experimental  evidence  

that  these  changes  may  result  from  the  formation  of  solid  carbonates  and  C-­‐uptake  into  AOM  

biomass  was  presumably  low  during  the  30  days  of  incubationS33.  Hence,  we  consider  the  impact  of  

δ13CDIC  changes  as  of  minor  importance  to  our  conclusion  that  increased  carbon  back  flux  explains  the  

observed  carbon  isotope  reversal  in  δ13CCH4  values  during  the  experiments.  

 5.  References  S1.  Holler,  T.  et  al.  Substantial  13C/12C  and  D/H  fractionation  during  anaerobic  oxidation  of  methane  

by  marine  consortia  enriched  in  vitro.  Environ.  Microbiol.  Rep.  1,  370–376  (2009).  

S2.  Cord-­‐Ruwisch,  R.  A  quick  method  for  determination  of  dissolved  and  precipitated  sulphides  in  cultures  of  sulfate-­‐reducing  bacteria.  J.  Microbiol.  Methods  4,  33–36  (1985).  

S3.  Cline,  J.  D.  Spectrophotometric  determination  of  hydrogen  sulfide  in  natural  waters.  Limnol.  Oceanogr.  14,  454–458  (1969).  

S4.  Aeckersberg,  F.,  Bak,  F.  &  Widdel,  F.  Anaerobic  oxidation  of  saturated  hydrocarbons  to  CO2  by  a  new  type  of  sulfate-­‐reducing  bacterium.  Arch.  Microbiol.  156:  5–14  (1991).  

S5.  Boudreau,  B.  P.  Diagenetic  models  and  their  implementation:  Modelling  transport  and  reactions  in  aquatic  sediments.  (Springer,  1997).  

S6.  Schulz,  H.  D.  &  Zabel,  M.  Marine  geochemistry.  (Springer,  2nd  edn,  Heidelberg,  2006).    

S7.  Pohlman,  J.  W.  et  al.  Anaerobic  methane  oxidation  in  low-­‐organic  content  methane  seep  sediments.  Geochim.  Cosmochim.  Acta  108,  184–201  (2013).  

S8.  Yoshinaga,  M.  Y.  et  al.  Methane  fluxes  modulating  the  molecular  and  carbon  isotopic  composition  of  microbial  lipids  in  gas  hydrate  bearing  sediments  from  the  northern  Cascadia  margin.  Proceedings  of  the  25th  International  Meeting  on  Organic  Geochemistry  (Interlaken,  Switzerland,  2011).  

S9.  Heuer,  V.  B.,  Pohlman,  J.  W.,  Torres,  M.  E.,  Elvert,  M.  &  Hinrichs,  K-­‐U.  The  stable  carbon  isotope  biogeochemistry  of  acetate  and  other  dissolved  carbon  species  in  deep  subseafloor  sediments  of  the  northern  Cascadia  Margin.  Geochim.  Cosmochim.  Acta  73,  3323–3336  (2009).  

S10.  Torres,  M.  E.  &  Kastner,  M.  Data  report:  clues  about  carbon  cycling  in  methane-­‐bearing  sediments  using  stable  isotopes  of  the  dissolved  inorganic  carbon,  IODP  Expedition  311.  Proc.  ODP,  311,  doi:10.2204/iodp.proc.311.206.2009  (2009).  

S11.  Pohlman,  J.  W.,  Kaneko,  M.,  Heuer,  V.  B.,  Coffin,  R.  B.  &  Whiticar,  M.  Methane  sources  and  production  in  the  northern  Cascadia  margin  gas  hydrate  system.  Earth  Planet.  Sci.  Lett.  287,  504–512  (2009).  

S12.  Hamdan  L.  J.  et  al.  Diversity  and  biogeochemical  structuring  of  bacterial  communities  across  the  Porangahau  ridge  accretionary  prism,  New  Zealand.  FEMS  Microbiol.  Ecol.  77,  518–532  (2011).  

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 16: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  16  

S13.  Hamdan  L.  J.  et  al.  Geomicrobial  characterization  of  gas  hydrate-­‐bearing  sediments  along  the  mid-­‐Chilean  margin.  FEMS  Microbiol.  Ecol.  65,  15–30  (2008).  

S14.  Biddle,  J.  F.  et  al.  Heterotrophic  Archaea  dominate  sedimentary  subsurface  ecosystems  off  Peru.  Proc.  Natl  Acad.  Sci.  USA  103,  3846–3851  (2006).  

S15.  Lipp,  J.  S.  data  from  the  ODP  Leg  201  (personal  communication).  

S16.  Pohlman,  J.  W.,  Ruppel,  C.,  Hutchinson,  D.  R.  &  Coffin,  R.  B.  Assessing  sulfate  reduction  and  methane  cycling  in  a  high  salinity  pore  water  system  in  the  northern  Gulf  of  Mexico.  Mar.  Petrol.  Geol.  25,  942–951  (2008).  

S17.  Ussler  III,  W.  &  Paull,  C.  K.  Rates  of  anaerobic  oxidation  of  methane  and  authigenic  carbonate  mineralization  in  methane-­‐rich  deep-­‐sea  sediments  inferred  from  models  and  geochemical  profiles.  Earth  Planet.  Sci.  Lett.  266,  271–287  (2008).  

S18.  Schubotz,  F.,  Lipp,  J.  S.,  Elvert,  M.  &  Hinrichs,  K-­‐U.  Stable  isotopic  compositions  of  intact  polar  lipids  reveal  complex  carbon  flow  patterns  among  hydrocarbon  degrading  microbial  communities  at  the  Chapopote  asphalt  volcano.  Geochim.  Cosmochim.  Acta  75,  4399–4415  (2011).  

S19.  Knab,  N.  J.  et  al.  Regulation  of  anaerobic  methane  oxidation  in  sediments  of  the  Black  Sea.  Biogeosciences  6,  1505–1518  (2009).  

S20.  Henkel,  S.  et  al.  Diagenetic  barium  cycling  in  Black  Sea  sediments  –  A  case  study  for  anoxic  marine  environments.  Geochim.  Cosmochim.  Acta  88,  88–105  (2012).  

S21.  Nuzzo,  M.  et  al.  Shallow  microbial  recycling  of  deep-­‐sourced  carbon  in  Gulf  of  Cadiz  mud  volcanoes.  Geomicrobiol.  J.  25,  283–295  (2008).  

S22.  Nuzzo,  M.  et  al.  Impact  of  hot  fluid  advection  on  hydrocarbon  gas  production  and  seepage  in  mud  volcano  sediments  of  thick  Cenozoic  Deltas.  Earth  Planet.  Sci.  Lett.  341-­‐344,  139-­‐157  (2012).  

S23.  Borowski,  W.  S.,  Paull,  C.  K.  &  Ussler  III,  W.  Carbon  cycling  within  the  upper  methanogenic  zone  of  continental  rise  sediments:  an  example  from  the  methane-­‐rich  sediments  overlying  the  Blake  Ridge  gas  hydrate  deposits.  Mar.  Chem.  57,  299–311  (1997).  

S24.  Borowski,  W.  S.,  Hoehler,  T.  M.,  Alperin,  M.  J.,  Rodriguez,  N.  M.  &  Paull,  C.  K.  Significance  of  anaerobic  methane  oxidation  in  methane-­‐rich  sediments  overlying  the  Blake  Ridge  gas  hydrates.  In:  Paull,  C.  K.,  Matsumoto,  R.,  Wallace,  P.  J.  &  Dillon,  W.  P.  (Eds.),  Gas  Hydrate  Sampling  on  the  Blake  Ridge  and  Carolina  Rise.  Proc.  ODP,  Sci.  Res.  (College  Station,  TX)  164,  87–99  (2000).  

S25.  Paull,  C.  K.  et  al.  Isotopic  composition  of  CH4,  CO2  species,  and  sedimentary  organic  matter  within  samples  from  the  Blake  Ridge:  gas  source  implications.  In:  Paull,  C.  K.,  Matsumoto,  R.,  Wallace,  P.  J.  &  Dillon,  W.  P.  (Eds.),  Gas  Hydrate  Sampling  on  the  Blake  Ridge  and  Carolina  Rise.  Proc.  ODP,  Sci.  Res.    (College  Station,  TX)  164,  67–78  (2000).  

S26.  Parkes,  R.  J.  et  al.  Biogeochemistry  and  biodiversity  of  methane  cycling  in  subsurface  marine  sediments  (Skagerrak,  Denmark).  Environ.  Microbiol.  9,  1146–1161  (2007).  

S27.  Martens,  C.  S.,  Albert,  D.  B.  &  Alperin,  M.  J.  Stable  isotope  tracing  of  anaerobic  methane  oxidation  in  the  gassy  sediments  of  Eckernförde  Bay,  German  Baltic  Sea.  Am.  J.  Sci.  299,  589–610  (1999).  

S28.  Boetius  A.  et  al.  A  marine  microbial  consortium  apparently  mediating  anaerobic  oxidation  of  methane.  Nature  407,  623–626  (2000).  

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Page 17: DOI: 10.1038/NGEO2069 Carbon isotope ... - media.nature.com1 Carbon isotope equilibration during sulphate-‐limited anaerobic oxidation of methane Marcos Y. Yoshinaga1*†, Thomas

  17  

S29.  Stumm,  W.  &  Morgan,  J.  J.  Aquatic  chemistry:  Chemical  equilibria  and  rates  in  natural  waters.  (Wiley  Interscience,  3rd  edn,  1996).  

S30.  Holler,  T.  et  al.  Carbon  and  sulfur  back  flux  during  anaerobic  microbial  oxidation  of  methane  and  coupled  sulfate  reduction.  Proc.  Natl.  Acad.  Sci.  USA  108,  E1484–E1490  (2011).  

S31.  Mook,  W.  G.,  Bommerson,  J.  C.  &  Staverman,  W.  H.  Carbon  isotope  fractionation  between  dissolved  bicarbonate  and  gaseous  carbon  dioxide.  Earth  Planet.  Sci.  Lett.  22,  169–176  (1974).  

S32.  Ohmoto,  H.  &  Rye,  R.  O.  Isotopes  of  sulfur  and  carbon.  In:  Barnes,  H.  L.  (Ed.)  Geochemistry  of  hydrothermal  deposits  (Wiley,  2nd  edn,  New  York,  1979).  pp.  509–567.  

S33.  Wegener,  G.  Niemann,  H.,  Elvert,  M.,  Hinrichs,  K.-­‐U.  Assimilation  of  methane  and  inorganic  carbon  by  microbial  communities  mediating  the  anaerobic  oxidation  of  methane.  Environ.  Microbiol.  10,  2287–2298  (2008).    

© 2014 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.