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Assessment of planktonic metabolism in the arctic and subtropical oceans by the 18o method

  • Autores: Elena Mesa Cano
  • Directores de la Tesis: Carlos Manuel Duarte Quesada (dir. tes.), Antonio Delgado Huertas (dir. tes.)
  • Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2017
  • Idioma: español
  • Tribunal Calificador de la Tesis: Carlota Escutia (presid.), Carlos J Garrido Marín (secret.), Daffne Celeste Lopez Sandoval (voc.), E. Moreno Ostos (voc.), Raquel Vaquer Sunyer (voc.)
  • Materias:
  • Enlaces
    • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
  • Resumen
    • SUMMARY:

      The metabolism of oceanic phytoplankton, consisting of gross primary production (GPP) and respiration (R), regulates biogeochemical cycles and climate. Plankton photosynthesis is responsible for half of the world primary production and fuels the marine food web and the biological CO2 pump, which makes oceanic phytoplankton primary production a fundamental process at the global scale. However, there is a current debate over the estimations coming from different methods to assess GPP. The 18O method is the most accurate one and the only one that measures GPP directly, but has been used in very few studies (less than twenty, to the best of our knowledge) which are not representative of the global ocean. The other metabolic process, plankton respiration, is a major component of global CO2 production. At the ecosystem level, respiration integrates so many aspects of the functioning, that long-term shifts in respiration may provide the best warning system for global change. However, global respiration data are much more scarce than primary production data: there are around 20,000 estimates of oceanic production for each estimate of respiration rate. In addition, respiration is usually measured in dark conditions, assuming that it is equivalent to respiration in the light, which has not been proved and might thus be biasing global models of gas fluxes. The main aim of this PhD thesis is to go a step further in the global assessment of planktonic metabolism, by evaluating GPP18O in the Arctic and in the subtropical oceans, and by testing the hypothesis of equal respiration in the dark and in the light.

      We assessed GPP18O in the context of three different studies: in the subtropical ocean (Malaspina Expedition); in the European Arctic Sector (to the west of Svalbard islands); and in a fjord in the east coast of Greenland (Young Sound). We evaluated GPP18O in 84 stations across the Atlantic, Pacific and Indian Oceans, in the framework of the 2010 Malaspina Expedition, occupying four of the five subtropical gyres. The mean (± SE) GPP18O was 0.60 ± 0.06 µmol O2 L-1 d-1 (range 0.01 - 11.49). This mean rate is lower than previously published estimates, suggesting that mean values previously inferred from existing data did not characterize the global ocean adequately. The Pacific Ocean was more heterogeneous, in relation to GPP18O rates, than the Atlantic and Indian Oceans, which results from very high rates in the Northern compared to very low rates in the Southern Pacific Ocean.

      The mean GPP18O for the European Arctic Sector was 14.00 ± 1.49 µmol O2 L-1 d-1 (range: 0.19 - 69.15), with a strong seasonal variability. The data were consistent with estimates by the dark-light method (GPPO2). Mean GPP18O for Young Sound fjord was very low, 0.123 ± 0.026 µmol O2 L-1 d-1 (range 0.001 – 0.330), which are by far the lowest estimates reported with this method to date. These low GPP18O rates agree well with earlier investigations suggesting that the system is net heterotrophic, requiring additional carbon input to balance mineralization.

      Plankton community respiration rates were evaluated in the dark (R dark) and in the light (R light), in the European Sector of the Arctic Ocean (in a 24-h photoperiod during summer) and in Young Sound. The mean R light (4.78 ± 0.50 µmol O2 L-1 d-1, range 0.01 - 15.80) was significantly higher than the mean R dark (2.16 ± 0.27 µmol O2 L-1 d-1, range 0.03 - 17.69), showing that the common assumption of equal R light and R dark is incorrect. The mean ratio Rlight:Rdark (5.00 ± 1.15) was higher than the one reported to date (2.72 ± 0.75) in studies outside the Arctic.

      Finally, we measured δ18O and concentration of dissolved oxygen in Arctic waters. The mean oxygen concentration (360.98 ± 2.59 µmol L-1; range 303.80 - 431.39 µmol L-1) correlated well with δ18O (O2) values (mean 23.91 ± 0.12 ‰, range 21.17 - 25.83 ‰). This correlation might be explained by gross primary production, respiration and ice melting.

      RESUMEN:

      El metabolismo del fitoplancton oceánico, el balance entre producción primaria bruta (GPP) y respiración (R), regula los ciclos biogeoquímicos y el clima. La mitad de la producción primaria mundial corresponde a la fotosíntesis del plancton e impulsa la cadena alimentaria marina y la bomba biológica de CO2, lo que hace de la producción primaria del fitoplancton oceánico un proceso clave a escala global. Sin embargo, actualmente hay un debate sobre las estimas procedentes de los distintos métodos para evaluar la GPP. El método del 18O es el más preciso y el único que mide la GPP directamente, pero se ha usado en muy pocos estudios (menos de veinte estudios, según nos consta) que no son representativos del océano global. El otro proceso metabólico, la respiración planctónica, es un componente principal de la producción global de CO2. A nivel de ecosistema, la respiración integra tantos aspectos del funcionamiento, que los cambios a largo plazo en la respiración pueden ser el mejor sistema de alerta respecto al cambio global. Sin embargo, los datos globales de respiración son mucho más escasos que los datos de producción primaria: hay unas 20.000 estimas de producción oceánica por cada estima de respiración. Además, la respiración se suele medir en oscuridad, asumiendo que ésta es equivalente a la respiración en la luz, lo cual no se ha probado y podría, por tanto, estar sesgando los modelos globales de flujos de gases. El principal objetivo de esta tesis es dar un paso más en la evaluación global del metabolismo planctónico, evaluando la GPP18O en el Ártico y en el océano subtropical, y comprobando la hipótesis de igual respiración en luz que en oscuridad.

      Evaluamos la GPP18O en el contexto de tres estudios: en el océano subtropical (Expedición Malaspina); en el sector europeo del Ártico (al oeste de las islas Svalbard); y en un fiordo en la costa este de Groenlandia (Young Sound). Medimos la GPP18O en 84 estaciones abarcando el océano Atlántico, Pacífico e Índico, en el marco de la Expedición Malaspina 2010, ocupando cuatro de los cinco giros subtropicales. La GPP18O media (± SE) fue 0.60 ± 0.06 µmol O2 L-1 d-1 (rango 0.01 - 11.49). Esta tasa media es más baja que las estimas publicadas hasta ahora, sugiriendo que los valores medios previamente inferidos de los datos existentes, no caracterizaban el océano global adecuadamente. El océano Pacífico fue más heterogéneo, en relación a las tasas de GPP18O, que el Atlántico y el Índico, debido a las altas tasas en el Pacífico Norte en comparación a bajas tasas en el Sur.

      La GPP18O media para el sector europeo del Ártico fue 14.00 ± 1.49 µmol O2 L-1 d-1 (rango: 0.19 - 69.15), con una gran variabilidad estacional. Los datos fueron consistentes con las estimas del método de incubaciones en luz-oscuridad (GPPO2). La GPP18O media para el fiordo Young Sound fue muy baja, 0.123 ± 0.026 µmol O2 L-1 d-1 (rango 0.001 – 0.330), siendo éstos, muy de lejos, las estimas más bajas dadas por este método hasta la fecha. Estas bajas tasas de GPP18O son coherentes con investigaciones anteriores que sugerían que el sistema es netamente heterotrófico, requiriendo una entrada de carbono adicional para equilibrar la mineralización.

      La respiración de la comunidad planctónica fue evaluada en oscuridad (R oscura) y en la luz (R luz), en el sector europeo del océano Ártico (durante el verano con un fotoperiodo de 24 horas) y en Young Sound. La R luz media (4.78 ± 0.50 µmol O2 L-1 d-1, rango 0.01 - 15.80) fue significativamente más alta que la R oscura media (2.16 ± 0.27 µmol O2 L-1 d-1, rango 0.03 - 17.69), demostrando que la frecuente asunción de igual respiración en la luz y en la oscuridad, es incorrecta. El ratio Rluz:Roscura medio (5.00 ± 1.15) fue mayor que el publicado hasta la fecha (2.72 ± 0.75) en estudios fuera del Ártico.

      Finalmente, medimos la δ18O y concentración de oxígeno disuelto en aguas del Ártico. La concentración media de oxígeno (360.98 ± 2.59 µmol L-1; rango 303.80 - 431.39 µmol L-1) se correlacionó bien con valores δ18O (O2) (media 23.91 ± 0.12 ‰, rango 21.17 - 25.83 ‰). Esta correlación podría explicarse por la producción primaria bruta, la respiración y la fusión de hielo.


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