Tracing the dynamics of dissolved organic matter in marine systems exposed to natural and experimental perturbations
Authors:   , Aparicio Bernat Francisco Luis 
Published: July 2023

In the coming decades, global warming will affect the biogeochemical cycles evolution, particularly the carbon cycle. In this context, it is necessary to gain knowledge on the Earth natural mechanisms to relieve the atmosphere of the greenhouse gases excess. The "biological pump" is one of the main mechanisms employed by the oceans to "sequester" the CO2 accumulated in the atmosphere. Thereby, the organic carbon produced by the biological activity is transferred from surface to deep waters where part of this pool is accumulated in the seafloor. Another mechanism involving the accumulation of carbon in the ocean, called the "microbial carbon pump" (MCP), has been described recently. It is composed by an intricate set of microbial processes that enable the formation of highly recalcitrant dissolved material and therefore facilitate the accumulation of carbon in the deep waters. The oceans store about 660 Pg C in the form of dissolved organic matter (DOM), a quantity comparable to the atmospheric CO2. Understanding the processes that control the dynamics, recycling and exportation of the DOM is crucial to evaluate the oceans capability to gather the excess of atmospheric CO2.
On its course down throughout the water column, microorganisms degraded the DOM produced at the surface layers. Concentrations decrease from ~90 µmol C L-1 down to 40-50 µmol C L-1, values homogeneously distributed in the deep oceans throughout the planet. The fact that below 1000 m and deeper the DOM is degraded at lower speed is still unknown, and the processes that can affect this DOM degradation have been studied in this thesis.
In this regard, we performed experiments with deep Atlantic Ocean microbial communities. These communities were exposed to DOM of different quality. The results revealed that the presence of humic-like allocthonous compounds favored the generation of new humic-like compounds in situ. Consequently, we proved that the composition of the DOM that reach the deep ocean conditions its ease-to-degrade nature. In this thesis we also evaluated the effect of global change (acidification and eutrophication) on the quality of the DOM. With this purpose in mind, we developed mesocosms experiments in tanks of 200 L in which we enclosed coastal planktonic communities from the NW Mediterranean Sea. The planktonic populations were exposed to different treatments of pH and eutrophication (addition of inorganic nutrients). The results of these experiments demonstrated that low pH levels favored the increase of the planktonic organisms' growth rates, while the input of nutrients promoted the transformation to complex DOM. Finally, a monthly monitoring sampling of several biogeochemical variables was carried out at the Estartit Oceanographic Station (EOS). One of the principal aims consisted in identify the DOM sources and its inter-annual variability. The results revealed the importance of the winds in transporting oceanic DOM inputs to the system, which contrasted with previous results observed in nearby sampling stations (e.g. Blanes Bay, Bay of Banyuls-sur-mer), where the major DOM contributions were terrestrial inputs.
En las próximas décadas el cambio climático afectará globalmente a la evolución de los ciclos biogeoquímicos en general, y al ciclo del carbono en particular. En este contexto, es necesario adquirir conocimiento sobre los mecanismos naturales de los que dispone el planeta para eliminar de la atmósfera el exceso de gases de efecto invernadero. La ‘bomba biológica’ es uno de los principales mecanismos que presentan los océanos para "secuestrar" el CO2 acumulado en la atmósfera. De este modo, el carbono orgánico producido por la acción biológica es transferido desde la superficie a las capas profundas del océano hasta su parcial almacenamiento en los fondos marinos. Recientemente se ha descrito otro mecanismo que facilita la acumulación de carbono, la “bomba microbiana de carbono” (MCP). Está compuesta por un conjunto de complejos mecanismos microbianos que posibilitan la formación de material disuelto altamente recalcitrante y por tanto conllevan a la acumulación de carbono en las aguas
profundas. Los océanos albergan alrededor de 660 Pg C en forma de materia orgánica disuelta (DOM), cantidad equiparable al CO2 atmosférico. Entender los procesos que controlan la dinámica, el reciclado y la exportación de la DOM es crucial para evaluar la capacidad de los océanos en acumular el exceso de carbono atmosférico.
A su paso a través de la columna de agua, la DOM generada en superficie es degradada por los microorganismos. Su concentración disminuye desde ~90 μmol C L-1 en las aguas superficiales hasta 40-50 μmol C L-1, rango uniforme de valores presentes en las aguas profundas de los océanos de todo el planeta. A partir de 1000 m de profundidad, la DOM se descompone a una tasa mucho más lenta y aparentemente imperceptible. Las causas de esta dilación en la descomposición a día de hoy son todavía inciertas y han sido objeto de estudio en esta tesis. En este sentido, se realizaron experimentos con comunidades microbianas del Océano Atlántico profundo, las cuales fueron sometidas a varios tratamientos de enriquecimiento con compuestos
orgánicos. Los resultados revelaron que la presencia de precursores húmicos alóctonos favorecía la generación de nuevos compuestos húmicos dentro del sistema. Consecuentemente, la composición de la DOM que llega al océano profundo condiciona su facilidad para ser degradada. Por otro lado, en esta tesis también se ha examinado experimentalmente el efecto del cambio global (acidificación y eutrofización) sobre la calidad de la DOM. En este caso los experimentos se realizaron con comunidades planctónicas costeras del Mediterráneo noroccidental incubadas en mesocosmos de 200 litros. Las comunidades se sometieron a
distintas condiciones de pH y eutrofización. El seguimiento de la respuesta de los microorganismos y la dinámica de la DOM demostraron por un lado que las tasas de reproducción de los organismos planctónicos se aceleraron con la disminución de los niveles de pH, y, por otro lado, que el aumento de nutrientes inorgánicos favoreció la generación de compuestos orgánicos de estructura compleja. Por último, se realizó un seguimiento mensual de medición de diferentes variables biogeoquímicas en el punto de muestreo de l’Estartit (EOS) con el objetivo de identificar la variabilidad interanual de la DOM así como identificar la procedencia de los aportes. Los resultados obtenidos muestran la importancia de factores ambientales como el viento, que en este caso acentúa la presencia de inputs de origen oceánico, contrastando con lo descrito previamente en otros puntos de muestreo cercanos (Bahía de Blanes, Bahía de Banyuls-sur-mer), donde el principal origen de los aportes orgánicos fue atribuido a una influencia terrestre
En les properes dècades el canvi climàtic afectarà globalment a l'evolució dels cicles biogeoquímics en general, i al cicle del carboni en particular. En aquest context, és necessari adquirir coneixement sobre els mecanismes naturals dels quals disposa el planeta per eliminar de l'atmosfera l'excés de gasos d'efecte hivernacle. La ‘bomba biològica’ és un dels principals mecanismes que presenten els oceans per "segrestar" el CO2 acumulat en l'atmosfera. D'aquesta manera, el carboni orgànic produït per l'acció biològica és transferit des de la superfície a les capes profundes de l'oceà fins al seu parcial emmagatzematge en els fons marins. Recentment s'ha descrit un altre mecanisme que facilita l'acumulació de carboni, la “bomba microbiana de carboni” (MCP). Està composta per un conjunt de complexos mecanismes microbians que possibiliten la formació de material dissolt altament recalcitrant i, per tant, comporten a
l'acumulació de carboni en les aigües profundes. Els oceans alberguen al voltant de 660 Pg C en forma de matèria orgànica dissolta (DOM), quantitat equiparable al CO2 atmosfèric. Entendre els processos que controlen la dinàmica, el reciclat i l'exportació de la DOM és crucial per avaluar la capacitat dels oceans a acumular l'excés de carboni atmosfèric.
Al seu pas a través de la columna d'aigua, la DOM generada en superfície és degradada pels microorganismes. La seva concentració disminueix des de ~90 μmol C L-1 en les aigües superficials fins a 40-50 μmol C L-1, rang uniforme de valors presents en les aigües profundes dels oceans de tot el planeta. A partir de 1000 m de profunditat, la DOM es descompon a una taxa molt més lenta i aparentment imperceptible. Les causes d'aquesta dilació en la descomposició a dia d'avui són encara incertes i han estat objecte d'estudi en aquesta tesi. En aquest sentit, es van realitzar experiments amb comunitats microbianes de l'Oceà Atlàntic profund, les quals van ser sotmeses a diversos tractaments d'enriquiment amb compostos orgànics. Els resultats van revelar que la presència de precursors húmics al·lòctons afavoria la generació de nous compostos húmics dins del sistema. Conseqüentment, la composició de la
DOM que arriba a l'oceà profund condiciona la seva facilitat per ser degradada. D'altra banda, en aquesta tesi també s'ha examinat experimentalment l'efecte del canvi global (acidificació i eutrofització) sobre la qualitat de la DOM. En aquest cas els experiments es van realitzar amb comunitats planctòniques costaneres del Mediterrani nord-occidental incubades en mesocosmos de 200 litres. Les comunitats es van sotmetre a diferents condicions de pH i eutrofització. El seguiment de la resposta dels microorganismes i la dinàmica de la DOM van demostrar d'una banda que les taxes de reproducció dels organismes planctònics es van accelerar amb la disminució dels nivells de pH, i d'altra banda, que l'augment de nutrients inorgànics va afavorir la generació de compostos orgànics d'estructura complexa. Finalment, es va realitzar un seguiment mensual de mesurament de diferents variables biogeoquímiques en el punt de mostreig de l’Estartit (EOS) amb l'objectiu d'identificar la variabilitat interanual de la DOM així com identificar la procedència de les aportacions. Els resultats obtinguts mostren la importància de factors ambientals com el vent que, en aquest cas, accentua la presència d’aportacions d'origen oceànic, contrastant amb el descrit prèviament en altres punts de mostreig propers (Badia de Blanes Badia de Banyuls-sud-mer), on el principal origen de les aportacions orgàniques va ser atribuït a una influència terrestre.
Nas próximas décadas o cambio climático afectará globalmente á evolución dos ciclos bioxeoquímicos en xeral, e ó ciclo do cabono en particular. Neste contexto, é necesario adquirir coñecemento sobre os mecanismos naturais dos que dispón o planeta para eliminar da atmósfera o exceso de gases de efecto invernadeiro. A "bomba biolóxica" é un dos principais mecanismos que presentan os océanos para "secuestrar" o CO2 acumulado na atmósfera. Desta forma, o carbono orgánico producido pola acción biolóxica é transferido dende a superficie das capas profundas do océano hasta o seu parcial almacenamento nos fondos mariños.
Recentemente describiuse outro mecanismo que facilita a acumulación de carbono, a "bomba microbiana de carbono" (MCP). Está composta por un conxunto de complexos mecanismos microbianos que posibilitan a formación de material disolto altamente recalcitrante e por tanto levan á acumulación de carbono nas augas profundas. Os océanos albergan ó redor de 660 Pg C na forma de materia orgánica disolta (DOM), cantidade equiparable ó CO2 atmosférico. Entender os procesos que controlan a dinámica, o reciclado e a exportación da DOM é crucial para evaluar a capacidade dos océanos en acumular o exceso de carbono atmosférico. Ó seu paso a través da columna de auga, a DOM producida na superficie é degradada polos microorganismos. A súa concentración disminúe dende ~90 μmol C L-1 nas augas superficiais ate 40-50 μmol C L-1, rango uniforme de valores presentes nas augas profundas dos océanos de todo o planeta. A partir dos 1000 m de profundidade, a DOM descomponse a unha tasa moito
máis lenta e aparentemente imperceptible. As causas desta dilación na descomposición son todavía incertas na actualidade e foron obxeto de estudio nesta tesis. Neste sentido realizáronse experimentos con comunidades microbianas do Océano Atlántico
profundo, as cales foron sometidas a varios tratamentos de enriquecemento con compostos orgánicos. Os resultados revelaron ca presencia de precursores húmicos alóctonos favorecía a produción de novos compostos húmicos dentro do sistema. Consecuentemente, a composión da DOM que chega ó océano profundo condiciona a súa facilidade de ser degradada. Por outro
lado, nesta tesis tamén se examinou experimentalmente o efecto do cambio global (acidificación e eutrofización) sobre a calidade da DOM. Neste caso os experimentos realizaronse con comunidades planctónicas costeiras do Mediterráneo noroccidental, incubadas en mesocosmos de 200 litros. As comunidades someteronse a distintas condicións de pH e eutrofización. O seguemento da resposta dos microorganimos e a dinámica da DOM demostraron que as tasas de reproducción dos organismos planctónicos aceleráronse coa disminución dos niveis de pH, e tamén que o aumento de nutrintes inorgánicos favoreceu a produción de compostos orgánicos de estrutura complexa. Ademáis realizouse un seguemento mensual de varias variables
bioxeoquímicas no punto na estación oceanográfica de l'Estartit (EOS) co obxetivo de identificar a variabilidade interanual da DOM, ademáis de identificar a procedencia dos aportes. Os resultados obtidos mostran a importancia de factores ambientais como o vento, que neste caso acentúa a presencia de inputs de orixe oceánica, contrastando co descrito previamente noutras estacións oceanográficas cercanas (Bahía de Blanes, Bahía de Banyuls-sur-mer), onde a principal orixe dos aportes orgánicos foi atribuido a unha influencia terrestre.