Seasonal variability of thermokarst lake biogeochemical processes along a permafrost gradient

Diogo Tavares Antão Folhas Ferreira

Key information

Authors:

Diogo Tavares Antão Folhas Ferreira (Diogo Tavares Antão Folhas Ferreira)

Supervisors:

João Alfredo Vieira Canário (João Alfredo Vieira Canário); Raoul-Marie Couture; Isabelle Laurion

Published in

March 20, 2026

Abstract

A degradação do pergelissolo nas latitudes setentrionais está a intensificar a mobilização de matéria orgânica, nutrientes e contaminantes para lagos de termocarso, potenciando entre outros, a emissão de gases com efeito de estufa. Apesar de existirem estudos relacionados com a dinâmica destes lagos, uma abordagem holística que relacione processos biogeoquímicos, regimes sazonais e o tipo de pergelissolo nestes sistemas como um todo, é ainda inexistente. Consequentemente, este trabalho investiga as dinâmicas sazonais da matéria orgânica natural (NOM) e das espécies aceitadoras de eletrões (TEAs) em lagos de termocarso localizados em zonas de pergelissolo distintas: esporádico, descontínuo e contínuo. A abordagem conjunta da coluna de água e dos sedimentos permitiu uma perspectiva holística da biogeoquímica lacustre, explorando as interações bentónicas e pelágicas e identificando os mecanismos subjacentes. A integração de múltiplas perspetivas — caracterização da matéria orgânica dissolvida (DOM): espectroscopias de UV-Vis, fluorescência e FTIR; quantificação de TEAs; a análise de assinaturas isotópicas (δ13C) e rácios C/N — possibilitou uma melhor compreensão destes lagos como sistemas biogeoquímicos integrados. Os resultados demonstraram que as alterações na biogeoquímica de lagos termocársicos são moldadas pela interação entre o contexto ecológico e os processos internos. Ciclos sazonais de congelação e fusão controlam as dinâmicas redox e mecanismos de degradaçao de DOM. Em permafrost esporádico, a conectividade hidrológica favorece estratificação e o aporte de NOM terrestre, produzindo sistemas ácidos e ricos em DOM cromófora (CDOM). Lagos em pergelissolo descontínuo apresentam características transicionais, enquanto os em pergelissolo contínuo se distinguem por baixos níveis de CDOM e intensa atividade microbiana bentónica. Adicionalmente, em lagos com baixo CDOM a atividade bentónica considerável, a assimilação autotrófica de carbono derivado de metano nos sedimentos superficiais sugere um mecanismo de retenção. Enquadrar mecanísticamente a biogeoquímica de lagos termocársicos é essencial, dada a dificuldade em extrapolar tendências em sistemas com elevada diversidade limnológica. Permafrost degradation across northern latitudes is accelerating the mobilization of organic matter, nutrients and contaminants into thermokarst lakes, reshaping carbon cycling and driving greenhouse gas production. However, integrated perspectives linking seasonal regimes and permafrost gradients to mechanistic changes in lake biogeochemistry remain limited. This thesis investigates seasonal dynamics of natural organic matter (NOM) and terminal electron acceptors (TEAs) across thermokarst lakes in sporadic, discontinuous, and continuous permafrost zones. Studying both the water column and sediments aimed to provide a detailed holistic approach to lake biogeochemistry, engaging with benthic-pelagic dynamics and revealing underlying mechanisms. A multi-perspective approach integrating water column dynamics — through DOM quality (UV-Vis, Fluorescence and FTIR), TEAs, and hydrochemical parameters — and sediment dynamics — via δ13C signatures, C/N ratios, FTIR analysis, and Fe and Mn concentrations — captured lake functioning as a unified system. Overarching shifts in thermokarst lake biogeochemistry across permafrost zones are shaped by both landscape context and internal processing. Across regions, seasonal freeze-thaw cycles govern redox dynamics, as well as the oxic photochemical breakdown of DOM and anoxic condensation into humified structures. In sporadic permafrost regions, strong hydrological connectivity enhances terrestrial inputs, yielding CDOM-rich, acidic and redox-stratified systems. Conversely, discontinuous permafrost lakes exhibit broadly transitional characteristics, with moderate CDOM levels and dynamic benthic-pelagic coupling. Lakes in continuous permafrost exhibit low CDOM with high sediment oxygen demand, driven by intense benthic microbial dynamics and reduced soilwater connectivity. In low‑CDOM, well‑oxygenated lakes, autotroph‑driven assimilation of methane‑derived carbon into surface sediments indicates a potential internal carbon‑sink pathway. These findings provide insight into thermokarst lake biogeochemistry and shifting mechanisms across permafrost landscapes. Limnodiversity limits the transferability of direct observations, highlighting the need for a mechanistic framework. This work refines conceptual models and underscores the importance of understanding thermokarst dynamics for future carbon–climate feedback estimates.