Dynamics of marine dissolved organic matter : ocean metabolism and climate transitions

Abstract

The Global Ocean is the largest Earth compartment holding carbon and nutrients that reaches the upper-ocean at temporal scales ranging from months to 10 kyr. The availability of these nutrients is fundamental to sustain primary production and the concentration of dissolved inorganic carbon (DIC) in surface waters controls the glacial-interglacial changes in atmospheric CO2. One process that influences both nutrients and carbon availability is the Microbial Carbon Pump (MCP), which refers to the production of refractory dissolved organic carbon (RDOC) compounds via heterotrophic microbial activity. Variations in the RDOC pool affect long-term carbon storage in the ocean, hence influencing the carbon cycle and climate. The general objective of this thesis is to expand our understanding of the connections between RDOC production by MCP and the ocean metabolism (understood as the upper-ocean net autotrophic community production), paying special attention to the role of the marine microbial processes in the glacial-interglacial transitions of the Earth system. The RDOC production by MCP is inferred through the lineal dependence of fluorescent dissolved organic matter (FDOM) with apparent oxygen utilization (AOU) and nutrients. This relationship, however, depends on the preformed content in the water masses. In this thesis, a valuable dataset, obtained from a high-resolution spatial sampling along 7.5ºN in the equatorial Atlantic Ocean, is used to distinguish the variability of FDOM distribution associated with in situ production from that related to the water properties at origin. A simple objective nonlinear-global methodology for resolving the non-conservative fraction of biogeochemical variables distribution is presented. The approach focuses on fitting high-order polynomial models over the entire temperature-salinity space. The differences between the modelled values and the observations are identified as biogeochemical anomalies. The goodness of the method is compared, for each water stratum, with the traditional approach, which is based on the local linear mixing of a maximum of three source water masses. The new methodology has good skill at distinguishing between the conservative and non-conservative contributions to biogeochemical variables, lending information about biogeochemical processes, stoichiometric ratios and patterns of connectivity within a certain region. For the first time, a general relationship between humic-like FDOM and AOU in the dark equatorial Atlantic Ocean is formulated, irrespective of the water masses. The results endorse the idea that FDOM is mostly produced in situ in the dark ocean. In the second part of the thesis, the role of RDOC pool in quaternary climate transitions is explored. The glacial-interglacial transitions are considered as functional states of the complex Earth system, with different energetic conditions in terms of solar energy conversion through marine photosynthesis. The oceanic system capacity to capture and transform the incident solar radiation depends on the availability of DIC and nutrients to the productive upper ocean. The supply of DIC and nutrients by the Meridional Overturning Circulation (MOC) and the DOM pool are evaluated through a simple two-box and two-state relaxation-type model for the DIC and nutrients in the upper ocean. The model, inspired on physiological concepts, considers the upper ocean to switch between basal (glacial) and enhanced (interglacial) metabolic states. The model reproduces well the atmospheric CO2 time series for the last 420 kyr, providing a solution for the size and temporal dependence of the MOC and setting global constraints on primary production and remineralization in the upper ocean. The RDOC accumulates during the glacial period and its availability at the end of this cycle sets the metabolic intensity of the subsequent interglacial, in what constitutes a central component of the Earth’s pulsating homeostatic organization.

El Océano Global es el mayor reservorio de carbono y nutrientes que llegan al océano superior en escalas temporales de meses hasta 10.000 años. La disponibilidad de nutrientes es fundamental para la producción primaria y la concentración de carbono inorgánico dis suelto (DIC en inglés) en las aguas superficiales controla los cambios glacial-interglacial del CO2 atmosférico. La bomba de carbono microbiana (MCP en inglés) se refiere a la producción de compuestos refractarios de carbono orgánico disuelto (RDOC en inglés) a través de la actividad microbiana heterotrófica siendo un proceso que influye tanto en los nutrientes como en la disponibilidad de carbono. Las variaciones en el reservorio de RDOC afectan al almacenamiento de carbono a largo plazo en el océano, influyendo en el ciclo del carbono y el clima. El objetivo general de esta tesis es ampliar la comprensión de las conexiones entre la producción de RDOC por la MCP y el metabolismo oceánico (entendido como la producción comunitaria autótrofa neta del océano superior), prestando especial atención al papel de los procesos microbianos en las transiciones glacial - interglacial del sistema terrestre. La producción de RDOC por la MCP se infiere a través de la dependencia lineal de la materia orgánica disuelta fluorescente (FDOM, en inglés) con la utilización aparente de oxígeno (AOU, en inglés) y los nutrientes. Dicha relación depende del contenido preformado en las masas de agua. A partir de datos obtenidos a lo largo de 7.50N en el Océano Atlántico ecuatorial, se evalúa que variabilidad de la distribución de FDOM corresponde con producción in situ y cual a las propiedades del agua en origen. Se presenta una metodología objetiva y simple, no lineal y global para resolver la fracción no conservativa de la distribución de variables biogeoquímicas mediante el ajuste de modelos polinomiales en todo el espacio de temperatura y salinidad. Se evalúa la bondad del método para cada estrato de agua comparándolo con el enfoque tradicional, basado en la mezcla lineal y local de un máximo de tres masas de agua fuente. La nueva metodología distingue entre las contribuciones conservativas y no conservativas de las variables biogeoquímicas, proporciona información de procesos biogeoquímicos, relaciones estequiométricas y patrones de conectividad dentro de una región. Por primera vez, se formula una relación general entre FDOM tipo húmico y AOU en el Océano Atlántico ecuatorial, independiente de las masas de agua. Los resultados respaldan la idea de que el FDOM se produce principalmente in situ en el océano profundo. En la segunda parte de la tesis, se explora el papel del RDOC en las transiciones climáticas del cuaternario. Las transiciones glacial-interglacial se consideran estados funcionales del sistema terrestre, con diferentes condiciones energéticas en términos de conversión de la energía solar a través de la fotosíntesis. La capacidad del sistema oceánico para capturar y transformar la radiación solar incidente depende de la disponibilidad de DIC/nutrientes en el océano superior. El aporte de DIC/nutrientes por el Bucle Latitudinal (MOC, en inglés) y el reservorio de materia orgánica disuelta se evalúan a través de un modelo simple de dos cajas y de relajación de dos estados para el DIC/nutrientes en el océano superior. El modelo, inspirado en conceptos fisiológicos, considera que el océano superior cambia entre dos estados metabólicos diferentes, basal (glacial) y excitado (interglacial). El modelo reproduce la serie temporal de 𝐶���𝐶���𝐶���𝐶���2 atmosférico de los últimos 420 kyr, proporcionando la magnitud y dependencia temporal de la MOC y estableciendo restricciones en la producción primaria y la remineralización en el océano superior. El RDOC acumulado en el período glacial y su disponibilidad al final de este ciclo establece la intensidad metabólica del interglacial subsiguiente, constituyendo por tanto un componente central de la organización homeostática pulsante de la Tierra.