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The influence of dissolved inorganic macronutrient concentration and ratio on the elemental stoichiometry of sinking particulate matter and carbon export in the peruvian upwelling system

Author(s): Minutolo, Fabrizio Marcelino

Date: 2017

Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.1/10559

Origin: Sapientia - Universidade do Algarve

Subject(s): Oxygen minimum zone; Upwelling; Nutrient ratio; POM elemental stoichiometry; Vertical flux; Carbon export; Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências Biológicas; Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências Biológicas; Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências Biológicas


Description

Peruvian coastal waters are influenced by strong coastal upwelling events and an intense oxygen minimum zone, where large amounts of fixed nitrogen can be lost. In order to investigate some of the effects this oxygen minimum zone may have on these coastal waters, this study aimed to evaluate the influence of dissolved inorganic macronutrient concentration and ratio on the elemental stoichiometry of sinking particulate matter and carbon export. At the beginning of February 2017, eight mesocosms were deployed in coastal waters near Lima, Peru. 4 mesocosms were enriched with an OMZ derived water mass with a dissolved inorganic N:P ratio of 0.11, while the other 4 were enriched with OMZ water of N:P = 1.71. The amount of utilized reactive nitrogen was not associated to differences in carbon export rates, but the results of one individual mesocosm hint at stronger carbon export at low primary production. Furthermore, sinking particulate matter and its elemental stoichiometry did not show differences between treatments. However, our results showed clear deviations from the canonical Redfield ratio in sinking POM, hypothesized to be related with phytoplankton community composition.

Os nutrientes inorgânicos dissolvidos são fundamentais para o funcionamento das redes alimentares marinhas e são, direta ou indiretamente, absorvidos por todos os organismos vivos. As regiões de afloramento costeiro apresentam elevada concentração de nutrientes inorgânicos, constituindo ecossistemas marinhos muito produtivos a nível biológico. Embora representam apenas 1% da área superficial do oceano global, as áreas de afloramento costeiro são responsáveis, em média,por cerca de 11% da produção primária anual nova. A variabilidade climática prevista, associada à crescente da pressão antrópica na atmosfera e no oceano, foi associada à intensificação e expansão da área ocupada pelas zonas mínimas de oxigénio (Oxygen Minimum Zones, OMZ), geralmente associadas aos sistemas de afloramento costeiro. Neste contexto, torna-se necessário avaliar e compreender as consequências do aumento das OMZ sobre os ciclos biogeoquímicos de nutrientes, de forma a prever com rigor a variabilidade futura do ambiente marinho e aplicar estratégias de gestão adequadas. Os eventos de afloramento costeiro ao largo da costa do Peru, bem como em outros sistemas similares, estão geralmente associados ao transporte de massas de água sub-superficiais, com elevada concentrações de nutrientes inorgânicos dissolvidos. Porém, a concentração de nutrientes inorgânicos dissolvidos e as proporções entre as formas contendo azoto e fósforo (ratio N:P) variam em função da intensidade dos eventos de afloramento e dos processos que influenciam a concentração e composição dos nutrientes em níveis inferiores à superfície. O azoto inorgânico é um elemento essencial ao crescimento do fitoplâncton e, muitas vezes, limita a produtividade primária, desempenhando assim um papel crucial na biogeoquímica marinha. As formas de azoto inorgânico biodisponíveis incluem o nitrato, nitrito e amónia, mas constituem apenas cerca de 6% da concentração total de azoto disponível na água do mar. O fósforo inorgânico é igualmente um elemento essencial ao crescimento do fitoplâncton, sendo a principal forma biodisponível o fosfato. Representa uma parte integrante da estrutura celular (ex.: ácidos nucleicos, incluindo DNA e RNA) e dos compostos associados ao armazenamento de energia química nas células, nomeadamente da molécula adenosina trifosfato (ATP). Assim, a análise do ciclo biogeoquimico do fósforo é relevante para determinar a estrutura e função dos ecossistemas. A exportação vertical de matéria orgânica a partir da superfície do oceano representa um processo chave para o funcionamento da bomba biológica de carbono, um componente importante do ciclo global do carbono. O carbono inorgânico é absorvido sob a forma de CO2 pelo fitoplâncton, transformado e acumulado no interior das células sob a forma de carbono orgânico, através da fotossíntese, e transportado verticalmente para o oceano profundo. Assim, o fluxo vertical de células fitoplanctónicas, em estado fisiológico variável, controla fortemente a capacidade do oceano como um coletor e reservatório de CO2. A exportação vertical de material particulado é determinada pela taxa de decomposição e velocidade de afundamento do material em afundamento, bem como pela migração vertical diária do zooplâncton ativo. O material particulado em afundamento no oceano é composto por agregados orgânicos, geralmente designados neve marinha, pelotas fecais do zooplâncton e fitodetritos. As partículas com reduzida velocidade de afundamento são geralmente consumidas ou degradadas antes de atingir o oceano profundo. Pelo contrário, as partículas com elevada velocidade de afundamento apresentam maior probabilidade de atingir o sedimento. A eficiência da bomba biológica depende ainda da composição da comunidade fitoplanctónica e, em consequência, das condições abióticas do ambiente marinho, incluindo a concentração e composição dos nutrientes inorgânicos dissolvidos. O presente estudo pretende avaliar a influência da concentração e composição (ratio) dos macronutrientes inorgânicos dissolvidos na água aflorada sobre a estequiometria da matéria em suspensão na plataforma continental do Peru. Os objetivos específicos do estudo abordaram as seguintes questões: (1) Estarão massas de água afloradas com diferente concentração e composição de nutrientes (ratio N:P) associadas a diferenças na estequiometria elementar das partículas em suspensão e sedimentação?; (2) Estarão a concentração e a taxa de absorção de nutrientes relacionadas com diferenças nas taxas de exportação do carbono orgânico? O presente estudo integrou-se no Collaborative Research Center (SFB 754) “Climate-Biogeochemistry Interactions in the Tropical Ocean” e baseou-se numa experiência iniciada em fevereiro de 2017, com recurso à plataforma Kiel Off-Shore Mesocosms for Ocean Simulations (KOSMOS), uma instalação móvel de mesocosmos, aplicável em experiências em larga escala, in situ. Os mesocosmos são unidades experimentais com um volume elevado, apropriadas para simular eventos de afloramento, em condições controladas quasi naturais, uma vez que permitem a manipulação eficiente das variáveis ambientais, incluindo a concentração de nutrientes. De forma a atingir os objetivos propostos, foram utilizados dois tratamentos experimentais, com quatro replicados cada (2 * 4 = 8 mesocosmos): massa de água com ratio N:P reduzido e massa de água com ratio N:P muito reduzido, a nível da composição de nutrientes inorgânicos dissolvidos. No início de fevereiro de 2017, foram implantados oito mesocosmos em águas costeiras ao largo de Lima (Peru), contendo armadilhas de sedimento no interior. A experiência decorreu durante um período de 50 dias, entre fevereiro e abril de 2017. Quatro mesocosmos foram enriquecidos com uma massa de água amostrada na OMZ, com um ratio N: P de 0,11, enquanto os restantes quatro mesocosmos foram enriquecidos com uma massa de água amostrada na OMZ com um ratio N: P de 1,71. Em cada um dos oito mesocosmos foram analisadas a concentração de nitritos, nitratos, amónia, fosfatos, silicatos, bem como os ratio associados, e clorofila-a (indicador da biomassa total do fitoplâncton) na coluna de água. Adicionalmente, foi amostrada a matéria particulada acumulada no interior de armadilhas de sedimento. Neste caso foram analisadas a concentração de carbono total, azoto total, carbono orgânico particulado, azoto orgânico particulado, carbono inorgânico particulado, sílica orgânica particulada e sílica biogênica. As diferenças entre os dois tratamentos experimentais, para todas as variáveis referidas, foram testadas estatisticamente. Os resultados obtidos não revelaram diferenças significativas em nenhuma das variáveis químicas ou biológicas entre os dois tratamentos experimentais. No entanto, observaram-se desvios claros nos ratios C: N: P, em relação aos valores propostos por Redfield (106: 16: 1), para os nutrientes inorgânicos dissolvidos e matéria orgânica particulada acumulada nas armadilhas de sedimento. Hipóteses para explicar estes desvios foram apresentadas, incluindo variações na composição da comunidade de fitoplâncton e mixotrofia. Os resultados indicaram que a concentração de azoto utilizado não se associou a diferenças significativas nas taxas de exportação vertical de carbono. No geral, a estratégia experimental utilizada apresentou alguns problemas incluindo uma similaridade entre as duas massas de água amostradas na OMZ e os distúrbios gerados pelas aves marinhas (ex.: entrada de guano e presas no interior dos mesocosmos). Experiências futuras deverão ativamente limitar estes problemas. A informação quantitativa sobre a composição da comunidade fitoplanctónica, disponível futuramente (após a data de submissão desta tese de mestrado), deverá ser utilizada para testar as hipóteses apresentadas no estudo.

Dissertação de mestrado, Biologia Marinha, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2017

Document Type Master thesis
Language English
Advisor(s) Barbosa, Ana; Riebesell, Ulf; Bach, Lennart
Contributor(s) Minutolo, Fabrizio Marcelino
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