Elemental and molecular characterization and bioavailability of dissolved organic matter in the Mediterranean Sea

Abstract

The chemical composition and bioavailability of dissolved organic matter (DOM) in the dark ocean is still enigmatic. To better understand the role played by DOM in the global ocean carbon cycle, it is crucial to decipher its composition and mechanisms of production and degradation. Knowing how DOM persists for hundreds to thousands years in the ocean is also pivotal. Within this framework, the main purpose of this PhD thesis is to shed light on the elemental and molecular composition of DOM, identify the environmental drivers of DOM variability and gain knowledge about DOM bioavailability. This PhD thesis is framed in the trans–Mediterranean cruise HOTMIX 2014. The Mediterranean Sea (MedSea) is an oligotrophic semi–enclosed basin suitable to study the DOM dynamics as it comprises water mass formation areas with its own thermohaline circulation. The smaller size and faster ventilation rates of the MedSea compared to the global ocean allow DOM changes to be observed in shorter spatial and temporal scales. Further, the high temperature of the deep waters stimulates DOM mineralization in the dark MedSea. The variability of dissolved organic carbon (DOC) and the absorption coefficient of colored DOM (CDOM) at 254 nm (a254) in the epipelagic layer of the MedSea was mostly explained by the apparent oxygen utilization (AOU). In the deep layer, water mass mixing and basin–scale mineralization processes contributed more substantially to explicate their variability. Further, considering the eastern and western basins separately, DOC contributed to 66 ± 10% of the oxygen demand in the eastern basin and to 24 ± 4% in the western basin. These results indicate that local mineralization processes of DOC and CDOM play a more relevant role in the eastern than the western MedSea. In addition, we identified 4 fluorophores in the MedSea: three humic–like and one protein–like. In the epipelagic layer, the distribution of marine humic–like substances was mainly driven by AOU suggesting that those compounds are by–products of mineralization processes. On the contrary, protein–like fluorescence was mainly driven by prokaryotic heterotrophic abundance. Again, in the deep layer mixing processes exhibited more influence on FDOM variability in the eastern than in the western basin. The molecular composition of DOM in the MedSea was also studied and water mass origin and DOM biodegradation were identified as the main drivers. Deep waters in the eastern basin exhibited significant molecular differences linked to their formation site, Adriatic versus Aegean Sea, and their formation time. Exploring the link between optical and molecular properties of DOM, it was found that 52% of the molecular formulae were correlated with one or more optical parameter. Furthermore, multiple linear regressions models to estimate molecular indices from optical indices were established for the first time. Finally, we assessed the reactivity of DOM transported by the intermediate waters of the MedSea by following in situ the evolution of two size–fractionated fractions (high and low molecular weight). Larger molecules were the only responsible for the oxygen consumption, resulting more reactive than the smaller counterpart and, therefore, verifying the size reactivity continuum hypothesis on the field. Further, in parallel to this DOC consumption, a decline of the protein–like substances together with a production of humic–like substances occurred in both size fractions, also corroborating the microbial carbon pump model.

La composición química y biodisponibilidad de la materia orgánica disuelta (DOM) en el océano profundo es todavía un enigma. Para entender mejor el papel que juega la DOM en el ciclo del carbono del océano global es crucial dilucidar su composición y sus mecanismos de producción y degradación. Conocer cómo la DOM es capaz de persistir de cientos a miles de años en el océano es también esencial. En este marco, el objetivo de esta tesis doctoral es arrojar luz en la composición elemental y molecular de la DOM, identificar los factores ambientales que influyen en su variabilidad y aumentar el conocimiento sobre su biodisponibilidad. Esta tesis doctoral está enmarcada en la campaña oceanográfica trans–mediterránea HOTMIX 2014. El mar Mediterráneo (MedSea) es una cuenca oligotrófica semi–cerrada adecuada para el estudio de la DOM ya que es una zona de formación de masas de agua con su propia circulación termohalina. Su pequeño tamaño y rápidas tasas de ventilación permiten observar cambios en la DOM en escalas espacio–temporales menores que en el océano global. La variabilidad del carbono orgánico disuelto (DOC) y el coeficiente de absorción de la DOM coloreada (CDOM) a 254 nm (a254) en la capa epipelágica del MedSea se explica mayoritariamente por la utilización aparente de oxígeno (AOU). En las capas profundas, los procesos de mezcla de masas de agua y la mineralización a gran escala contribuyeron más substancialmente a explicar su variabilidad. Además, considerando las cuencas oriental y occidental por separado, el DOC contribuyó en un 66 ± 10% a la demanda de oxígeno en la cuenca oriental y en un 24 ± 4% en la cuenca occidental. Estos resultados indican que los procesos locales de mineralización del DOC y CDOM tienen mayor influencia en la cuenca oriental. Adicionalmente, se identificaron 4 fluoróforos en el MedSea: 3 de tipo húmico y 1 de tipo proteico. En la capa epipelágica, la distribución de las sustancias húmicas fue modulada principalmente por la AOU sugiriendo que estas sustancias son subproducto de procesos de mineralización. Por el contrario, la fluorescencia proteica fue influenciada primordialmente por la abundancia de procariotas heterotróficos. En las capas profundas los procesos de mezcla mostraron más influencia en la variabilidad de la fluorescencia de la DOM en la cuenca oriental. También se estudió la composición de la DOM en el MedSea y se identificaron los principales factores que la gobiernan: el origen de las masas de agua y la biodegradación de la DOM. Las aguas profundas de la cuenca oriental mostraron diferencias moleculares significativas asociadas a su lugar, mar Adriático vs Egeo, y su tiempo de formación. Analizando la relación entre las propiedades ópticas y moleculares de la DOM se encontró que el 52% de las fórmulas moleculares estuvieron correlacionadas con uno o más parámetros ópticos. Además, se establecieron, por primera vez, modelos de regresión múltiple para estimar índices moleculares a partir de índices ópticos. Finalmente, se estudió la reactividad de la DOM transportada por las aguas intermedias del MedSea, siguiendo la evolución in situ de dos fracciones separadas por tamaño (alto y bajo peso molecular). Las moléculas más grandes fueron las únicas responsables del consumo de oxígeno, resultando ser más reactivas que las pequeñas y verificando la hipótesis del continuo tamaño– reactividad en el campo. Además, en paralelo a este consumo de oxígeno, se observó un descenso de las sustancias proteicas junto con una producción de sustancias húmicas en las dos fracciones corroborando también el modelo de la bomba microbiana de carbono.

A composición química e biodispoñibilidade da materia orgánica disolta (DOM) no océano profundo é aínda un enigma. Para entender mellor o papel que xoga a DOM no ciclo do carbono do océano global, é crucial dilucidar a súa composición e os seus mecanismos de producción e degradación. Coñecer cómo a DOM é capaz de persistir durante centos e miles de anos no océano é tamén esencial. Dentro deste marco, o obxectivo principal desta tese doutoral é arroxar luz na composición elemental e molecular da DOM, identificar os factores ambientais que influen na súa variabilidade e aumentar o coñecemento sobre a súa biodispoñibilidade. Esta tese doutoral está enmarcada na campaña oceanográfica transmediterránea HOTMIX 2014. O mar Mediterráneo (MedSea) é unha cunca oligotrófica semi–pechada adecuada para o estudo da DOM xa que é unha zona de formación de masas de auga coa súa propia circulación termohalina. O seu pequeno tamaño e as súas rápidas taxas de ventilación comparadas co océano global permiten observa–los cambios na DOM en escalas espaciais e temporais menores. A variabilidade do carbono orgánico disolto (DOC) e o coeficiente de absorción da DOM coloreada (CDOM) a 254 nm (a254) na capa epipeláxica do MedSea foi maiormente explicada pola utilización aparente de osíxeno (AOU). Nas capas profundas, os procesos de mestura das masas de auga e a mineralización a gran escala contribuíron máis substancialmente a explica–la súa variabilidade. Ademais, considerando as cuncas oriental e occidental por separado, o DOC contribuíu nun 66 ± 10% á demanda de osíxeno na cunca oriental e nun 24 ± 4% na occidental. Estes resultados indican que os procesos locais de mineralización do DOC e CDOM teñen maior influencia na cunca oriental. Adicionalmente, identificáronse 4 fluoróforos no MedSea: 3 húmicos e 1 proteico. Na capa epipeláxica, a distribución das sustancias húmicas foi modulada principalmente pola AOU, suxerindo que estas sustancias son subproduto de procesos de mineralización. Pola contra, a fluorescencia proteica foi afectada principalmente pola abundancia de procariotas heterotróficos. Nas capas profundas os procesos de mestura amosaron máis influencia na variabilidade da fluorescencia da DOM na cunca oriental. Tamén se estudou a composición da DOM no MedSea e se identificaron os principais factores que a gobernan: a orixe das masas de auga e a biodegradación da DOM. As augas profundas da cunca oriental amosaron diferenzas moleculares significativas asociadas ó seu lugar de formación, mar Adriático vs Exeo, e ó seu tempo de formación. Analizando a relación entre as propiedades ópticas e moleculares da DOM atopouse que o 52% das fórmulas moleculares estiveron correlacionadas con un ou máis parámetros ópticos. Ademais, establecéronse, por vez primeira, modelos de regresión múltiple para estimar índices moleculares a partir de índices ópticos. Finalmente, estudouse a reactividade da DOM transportada polas augas intermedias do MedSea, seguindo a evolución in situ de dúas fraccións separadas por tamaño (alto e baixo peso molecular). As moléculas máis grandes foron as únicas responsables do consumo de osíxeno, resultando ser máis reactivas que as pequenas e verificando a hipótese do continuo tamaño– reactividade no campo. Ademais, en paralelo a este consumo de osíxeno, observouse un descenso das sustancias proteicas xunto cunha produción de sustancias húmicas nas dúas fraccións corroborando tamén o modelo da bomba microbiana de carbono.