Elemental Stoichometry in Nutrient Pools in Oligotrophic Marine Ecosystems

Abstract

Amb aquest treball es preté comprovar la universalitat de la relació estequiomètrica de Redfield i recercar patrons consistents de les desviacions d'aquesta raó promig en ambients oligotrofics. Per tal de dur a terme aquest propòsit s'han desenvolupat relacions estequiomètriques en el compartiment particulat i dissolt orgànic i inorgànic per el C, N, P i Si.<br/>La estequiometria dels nutrients a l'oceà s'ha examinat al Mar Mediterrani i a l'Oceà Atlàntic subtropical, mentre que la zona costenera del Mar Mediterrani ha servit per estudiar aquestes relacions sota l'influència d'aports terrestres. <br/>En el segon capítol de la tesi es descriuen patrons meridionals del fluxe de nitrogen i fósfor vers la capa biogènica de l'Oceà Atlàntic Central. La raó promig entre el fluxe difusiu del nitrogen inorgànic dissolt (DIN) i del fósfor (DIP) es mostra similar a la raó de Redfield al llarg de l'Oceà Atlàntic Central, però tendeix a valors per sota dels establerts per Redfield a la part sud del trajecte i superiors a la raó de Redfield al centre del gir sudtropical. La raó N:P del fluxe difusiu i la raó N:P dels nutrients dissolts inorgànics en la capa biogènica es troben fortament correlacionats, mentre que no existeix cap correlació amb els valors de la raó N:P de les aigües intermitges. Els resultats trobats en aquest capítol de la tesi indiquen que la recirculació vertical de nutrients a la capa biogènica de l'oceà Atlàntic Central és capaç d'operar amb raons estequimètriques que difereixen de Redfield i per tant els components biogènics i biolítics s'adapten a les variacions locals de la raó de Redfield. La hipòtesis que existeixen raons estequiomètriques previsibles en la reserva oceànica de material dissolt orgànic que es troben en equilibri amb la reserva del material particulat orgànic i dissolt inorgànic, es corrobora en el tercer capítol d'aquesta tesi. La majoria del carboni orgànic present en aigües oligotrofiques del Mediterrani estratificat es troba en forma d'orgànic dissolt, mentre que el POC (carboni orgànic particulat) representa un percentatge menor. El nitrogen i fósfor orgànic dissolt que comprenen el 50-80% del "pool" total de P i N a la capa biogènica, decreix en percentarge a la capa biolítica. S'ha comprovat una distribució uniforme del nitrogen disolt total (TDN). L'increment en el percentatge de N inorgànic disolt i el decreixement en percentatge de N orgànic dissolt amb la fondària, és un indicador clar de l'equilibri dinàmic que existeix entre les reaccions bioquímiques entre les reserves oceàniques. Mitjançant un sistema de balanços, s'estableix un intercanvi de nutrients (exportació-importació) entre els pools dissolt orgànic i dissolt inorgànic en el sistema. S'ha comprovat que el fluxe de nitrogen orgànic dissolt (DON) excedeix al fluxe difusiu de nitrogen inorgànic i per tant els aports atmosfèrics i terrestres són importants en aquesta regió.<br/>En el quart capítol de la tesi es descriu el lligam existent entre el component pelàgic i els component del bentos d'una àrea litoral del Mar Mediterrani, és a dir un compartiment anabolic que produeix matèria orgànica i un de catabolic que actúa com agent oxidant de la reserva de matèria orgànica del sistema. El compartiment pelàgic es mostra heterotrofic. Al mateix temps, existeix una contribució important de material terrestre als sediments. Per contra, el compartiment bentònic és autotrofic on el dèficit en la producció grossa es compensa amb l'excés de producció neta del sistema. Mitjançant la quantificació simultànea dels fluxes anuals de sedimentació per al C, N, P i Si així com dels fluxes sediment-aigua de les espècies orgàniques i inorgàniques dissoltes, s'ha establert un sistema de balanços de matèria del sistema. El compartiment bentonic es configura com a sumider o exportador de matèria orgànica, degut als aports terrestres de carboni en el sistema.<br/>Els patrons de distribució de nutrients derivats dels resultats dels capítols anteriors es comproven mitjançant un experiment d'addició de nutrients. En el capítol cinquè d'aquesta tesi s'estudien els canvis en la distribució de nutrients en les diferents reserves nutricionals d'un sistema quan es troba sotmès a aports controlats de nutrients. S'ha comprovat que, mentre el tamany relatiu de la reserva de nutrients inorgànics dissolts no varia amb l'increment de nutrients en el medi. Hi ha una tendència a l'increment del tamany relatiu de la reserva del material particulat, paral.lela a un decreixement simultani de la reserva de material dissolt orgànic. Aquest experiment contribueix a verificar el paper del DOM (matèria dissolta orgànica) com a principal reserva nutricional en sistemes oliogotròfics.

The stoichiometric ratios are powerful tools to model basic biogeochemical patterns of the sea when the fluxes of a single element are known. It is, therefore essential to understand the full implications of variable stoichiometries to predict the effect of the living components of the ocean on biogeochemical processes. Here, the stoichiometry between C, N, P and Si in different chemical pools (particulate and dissolved organic and dissolved inorganic matter) were examined in contrasting oceanic and littoral ecosystems, and the changes in nutrient partitioning in response to nutrient inputs was tested through experimental research. <br/>In the Central Atlantic Ocean, the average ratio between dissolved inorganic nitrogen and phosphorus in the estimated vertical diffusive fluxes was similar to the Redfield ratio, but tended to be above the Redfield ratio at the center of the South subtropical gyre. The N:P supply ratio and the N:P ratio of dissolved inorganic nutrients in the biogenic layer were strongly correlated, but were not positively correlated to that in the intermediate waters. The vertical nutrient conveyor belt of nutrients in the upper waters operates relatively independently of the underlying waters in the Central Atlantic, so that both the biogenic and the biolythic components should be able to adapt to local variation about the Redfield ratio.<br/>In the stratified NW Mediterranean Sea, the stoichiometry between dissolved inorganic, organic and particulate organic matter pools indicated an excess nitrogen relative to phosphorus, particularly in the biolythic layer, as well as a general silicate deficiency relative to both N and P. Most (> 80 %) of the organic carbon was present as dissolved organic carbon, with POC representing a minor percent of total organic C throughout the water column. The increasing C/N ratio of DOM with depth indicates that N is recycled faster than C in the DOM. There exists a dynamic equilibrium between the biological transformations between these pools with depth, with a dominance of DON production in surface waters and remineralization in the underlying layers, from which dissolved inorganic nitrogen is re-supplied to the biogenic layer. <br/>Alocthonous N inputs must be important in the region since the downward DON flux exceeded the diffusive DIN supply. <br/>The coupling between anabolic and catabolic compartments of a littoral area in the NW Mediterranean Sea are characterized. The pelagic compartment was heterotrophic, supported by significant allochthonous inputs of land material, whereas the benthic compartment was autotrophic, with the excess net benthic community production balancing the deficit in pelagic community production, leading to a system in metabolic equilibrium. Sedimentary inputs of phosphorus and silicon were compensated by sediment release of phosphate and silicate, whereas nitrogen was lost or accumulated in the sediment compartment. Carbon inputs to the benthic compartment also exceeded requirements, due to the allocthonous subsidies to the system, so that the benthic compartment stored or exported organic carbon.<br/>Experimental nutrient additions lead to a parabolic change in C/N and C/P ratios in the dissolved organic matter with increasing nutrient inputs. The relative size of the dissolved inorganic nutrient pools did not vary, but there was a tendency towards an increase in the relative size of the particulate pool at the expense of a decrease in the relative importance of DOM as a reservoir of N, P and C, with increasing nutrient inputs.<br/>The relative importance of different nitrogen pools was examined in relation to the total nutrient stoichiometry of the oligotrophic system. The ratio of dissolved inorganic nutrients reported in the research presented is indicative of a general deficiency in nitrogen compared to the global ratios reported in literature. The dissolved organic matter was highly depleted in P relative to N and C at all locations investigated and the resulting POC:PON ratio (11.7) of this study in the particulate pool deviates greatly from the literature values which approximates Redfield value (5.5-6). The shift of the dominance of DON towards PON at TOC/TN values higher than 20 on the oligothrophic areas of the study, gives evidence of increasing carbon export fluxes in a system dominated by particulate pool and points to the effect of the biota on the gradient-driven export to sinking carbon fluxes in the ocean.