Patrones macroecológicos de variabilidad trófica en el plancton oceánico = Macroecological patterns of trophic variability in the oceanic plankton

Abstract

OBJETIVOS El objetivo principal que se plantea en esta tesis es analizar los patrones de variabilidad en las fuentes de nutrientes y la complejidad de la red trófica planctónica a distintas escalas espaciales. Los objetivos parciales fueron: • Determinar la variabilidad geográfica en la composición isotópica del plancton de distintos tamaños a escalas espaciales de cientos a miles de kilómetros. • Determinar la existencia de patrones macroecológicos en la composición isotópica del plancton en función del tamaño y variables ambientales (principalmente temperatura y nutrientes). • Estimar propiedades de la red trófica (ej. relación de tamaños, diversidad trófica, estado metabólico) a partir de la composición isotópica de los aminoácidos del plancton. MÉTODOS: Analizamos la biomasa y la abundancia natural de isótopos estables de nitrógeno en un amplio muestreo de plancton fraccionado por tamaños durante la expedición Malaspina-2010 a través de tres grandes océanos. La expedición utilizó dos buques oceanográficos para la observación y recolección de muestras de agua, seston y plancton a través de tres de los mayores océanos (http://metamalaspina.imedea.uib-csic.es/geonetwork/srv/en/main.home). En nuestro estudio incluimos muestras de plancton de 145 estaciones. Las muestras fueron recolectadas con redes verticales tipo bongo (30 cm de diámetro, 40 µm de malla y 50 cm de diámetro, y 200 µm de malla) entre 200 m de profundidad y la superficie por la mañana temprano. El plancton fue fraccionado por tamaños usando filtros de 200, 500, 1000, 2000 and 5000 sobre filtros de vidrio pre pesados y secados en horno a bordo (60°C, 24 h). Además, alícuotas de las muestras fueron conservadas en formol (4% concentración final) para la determinación posterior de la abundancia de tricomas de la cianobacteria fijadora de N Trichodesmium. El contaje se realizó con un sistema de análisis de imagen (FlowCam). La biomasa fue determinada en laboratorio para cada fracción de tamaño como contenido de carbono (C) usando un analizador elemental (Carlo Erba CHNSO 1108). La abundancia natural de los isótopos estables de nitrógeno (15N) se determinó usando un espectrómetro de masas (Finnigan Mat Delta Plus) acoplado a un analizador elemental. Para el análisis de isótopos estables en aminoácidos se escogieron un total de 15 muestras en el transecto del Atlántico Norte Subtropical. Los valores de δ15N de aminoácidos individuales se midieron utilizando un espectrómetro de masas de relaciones isotópicas acoplado por combustión a un cromatógrafo de gases (gas chromatography /combustion/isotope ratio mass spectrometry GC/C/IRMS), después por hidrólisis con ácido 6 N HCl y formación de derivados del éster, siguiendo métodos ya publicados (ej., McCarthy et al., 2013; Germain et al., 2013). RESULTADOS Y CONCLUSIONES: Los parámetros del espectro de tamaños de la biomasa y δ15N mostraron baja variabilidad en la mayoría de las regiones, a excepción del noroeste del océano Atlántico. El análisis comparativo del espectro de tamaños de δ15N y la biomasa se reveló como una herramienta práctica para estimar las fuentes de nitrógeno inorgánico y su transferencia neta hacia niveles superiores de la red trófica como se muestra a grandes escalas espaciales con el plancton oceánico. Las diferencias entre el espectro de tamaños de δ15N y la biomasa sugieren homogeneidad geográfica en la transferencia neta de nitrógeno a niveles superiores de la red trófica. El uso de datos de isótopos en compuestos específicos como aminoácidos (CSI-AA) mostró una baja variabilidad del impacto de nitrógeno diazotrófico en las diferentes fracciones de tamaño del plancton, mientras que nuestro primer estudio de 15N en la materia orgánica mostró alta variabilidad con el tamaño. Además estos resultados en aminoácidos indicaron una mayor importancia de la diazotrofía, incluso en zonas con menor abundancia de fijadores de nitrógeno o menores medidas previas de fijación de nitrógeno. Las estimaciones de la posición trófica en CSI-AA para diferentes clases de tamaño del plankton varió en un estrecho rango (1.8 to 2.5), con el valor inferior en la zona central, y un incremento general esperado con el tamaño. El estudio de aminoácidos individuales (en particular Phe y Thr), así como los valores de δ15N del total de proteínas, mostró fuertes correlaciones con 15N en el plancton, lo que sugiere un conjunto de nuevas relaciones que pueden ser importantes en el uso de los datos de CSI-AA para rastrear las contribuciones directas del plancton al pool de nitrógeno orgánico en los océanos. Así estos nuevos resultados representan la investigación más detallada de datos de CSI-AA en clases de tamaños de zooplancton hasta la fecha y apuntan a un papel clave del zooplancton grande en la transmisión del nitrógeno diazotrófico hacia las redes tróficas oceánicas.

OBJECTIVES: The principal goal is to analyze the variability pattern in the nutrient sources and the planktonic trophic web at different spatial scales in the ocean. The secondary objectives were: • To determinate the geographic variability in the isotopic composition to different size fractions of plankton at large-scale spatial scales • To characterize macroecological patterns in the isotopic composition of plankton based on the size and environmental variables (mainly temperature and nutrients). • To estimate food wed properties ( eg. Size ratio, trophic diversity, metabolic state) from the amino acids isotopic composition of plankton. METHODS: We analyzed carbon biomass and the natural abundance of stable nitrogen isotopes in a large set of size-fractionated plankton samples from the research expedition Malaspina-2010 across three ocean basins. The expedition employed two oceanographic ships to make observations and collect water, seston and plankton samples across three major ocean basins (http://metamalaspina.imedea.uib-csic.es/geonetwork/srv/en/main.home). In this study plankton samples from 145 stations were considered. Samples were collected by vertical hauls of bongo-type nets (30 cm diameter, 40 µm mesh size and 50 cm diameter, and 200 µm mesh size) between 200 m depth and the surface during early morning hours. Plankton was size-fractionated using sieves of 200, 500, 1000, 2000 and 5000 µm, collected on pre-weighted glass-fiber filters and oven dried (60°C, 24 h) on board. In addition, sample aliquots were preserved in formalin (4% final concentration) for later determination of the abundance of trichomes of the N-fixing cyanobacterium Trichodesmium. Counts were made using a semiautomatic image analysis flow-through system (FlowCam). Biomass was later determined in the laboratory for each size fraction as carbon content (C) using an elemental analyzer (Carlo Erba CHNSO 1108). Natural abundance of stable nitrogen isotopes (15N) was determined using a mass spectrometer (Finnigan Mat Delta Plus) coupled to the elemental analyzer. In total 15 samples in the transect Subtropical North Atlancic were chosen for CSI-AA. The δ15N values of individual AAs were measured via GC-IRMS, after 6 N HCl acid hydrolysis and the formation of TFA ester derivatives following previously published methods (e.g., McCarthy et al., 2013; Germain et al., 2013). RESULTS AND CONCLUSIONS: Except in the northwestern Atlantic, parameters of biomass and δ15N size-spectra showed low variability in most regions. The comparative analysis of δ15N and biomass size-spectra revealed as a practical tool to estimate the sources of inorganic nitrogen and their net transfer up the food web as illustrated at large spatial scales with ocean plankton. Differences between δ15N and biomass size-spectra suggest geographic homogeneity in the net transfer of nitrogen up the food web. Use of compound-specific amino acid isotope data (CSI-AA) revealed relatively low variability in the impact of diazotrophic nitrogen within the different plankton size fractions, while 15N of bulk organic matter showed high variability with size. Moreover these results indicated a greater importance of diazotrophy than suggested by bulk δ15N, even in zones having less abundant nitrogen fixing organisms and lower concurrent measurements of nitrogen fixation previously reported. Explicit CSI-AA trophic position estimates for different plankton size classes varied in a relatively narrow range (1.8 to 2.5), with the lowest values in the central zone, and showed the expected general increase with mean plankton size class. Investigations of individual amino acids (in particular Phe and Thr), as well as reconstructed total protein δ15N values, revealed strong correlations with bulk plankton 15N, suggesting a set of new relationships that may be important in using CSI-AA data to tracing direct plankton contributions to many detrital organic nitrogen pools in the ocean. Overall, these new results represent the most detailed investigation of CSI-AA data in zooplankton size classes to date, and point to a key role of large zooplankton in the transmission of the diazotrophic nitrogen up oceanic food webs.