Trichodesmium spp

Trichodesmium spp. y fijación de N2 en el
océano Atlántico tropical y subtropical
Trichodesmium spp. y fijación de N2 en el
océano Atlántico tropical y subtropical
Ana Fernández Carrera
Memoria presentada para optar al título
de Doctora por la Universidade de Vigo
Vigo, febrero 2013
D. Emilio Marañón Sainz, profesor titular del Departamento de Ecoloxía e
Bioloxía Animal de la Universidade de Vigo, y D. Antonio Bode Riestra,
investigador titular del Centro Oceanográfico de A Coruña del Instituto Español
de Oceanografía,
HACEN CONSTAR que la presente memoria, titulada “Trichodesmium spp. y
fijación de N2 en el océano Atlántico tropical y subtropical”, presentada por la
licenciada en Ciencias del Mar Dña. Ana Fernández Carrera para optar al grado
de doctora, ha sido realizada bajo nuestra dirección, cumpliendo con las
condiciones exigidas para su presentación, la cual autorizamos.
Para que así conste y surta los efectos oportunos, firmamos la presente en Vigo,
a 25 de febrero de 2013.
Fdo. Antonio Bode Riestra
Fdo. Emilio Marañón Sainz
Los trabajos que se recogen en esta memoria se desarrollaron en el marco del
proyecto “TRichodesmium spp. Y fijación de NItrógeno en el Atlántico Tropical
(TRYNITOP)”, financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia
(CTM2004-05174-C02).
La tesis se realizó durante el disfrute de un contrato financiado por la Xunta de
Galicia (PGIDIT05PXIC31201PN) como apoyo al proyecto TRYNITROP.
Además, se hizo una estancia de dos meses en el Plymouth Marine Laboratory
(Reino Unido).
“Tell me, and I will forget.
Show me, and I may remember.
Involve me, and I will understand.”
Confucius (ca. 450 BC)
Índice
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
ÍNDICE
1. Introducción................................................................................................. 17
1.1. LA FIJACIÓN DE NITRÓGENO MOLECULAR ............................... 20
1.2. LOS FIJADORES DE NITRÓGENO ................................................... 22
1.3. LAS CIANOBACTERIAS DIAZÓTROFAS........................................ 24
1.3.1. Trichodesmium ............................................................................... 24
1.3.2. Cianobacterias heterocísticas.......................................................... 28
1.3.3. Cianobacterias unicelulares libres .................................................. 28
1.4. REGULACIÓN DE LA FIJACIÓN DE N2 ........................................... 29
1.5. LA FIJACIÓN DE NITRÓGENO: MEDIDAS DIRECTAS Y
ESTIMACIONES ......................................................................................... 33
1.6. FIJACIÓN DE N2 EN EL OCÉANO ATLÁNTICO............................. 38
1.7. HIPÓTESIS Y OBJETIVOS ................................................................. 41
1.8. ESTRUCTURA DE LA TESIS ............................................................. 43
2. Community N2 fixation and Trichodesmium spp. abundance along
longitudinal gradients in the eastern subtropical North Atlantic ............... 45
ABSTRACT.................................................................................................. 47
2.1. INTRODUCTION ................................................................................. 49
2.2. MATERIAL AND METHODS ............................................................. 51
2.2.1. Sampling, hydrography and nutrients............................................. 51
2.2.2. Satellite-derived estimates of dust concentration ........................... 52
2.2.3. Chlorophyll a.................................................................................. 53
2.2.4. Trichodesmium abundance ............................................................. 53
2.2.5. Dinitrogen (N2) fixation.................................................................. 54
2.3. RESULTS .............................................................................................. 55
2.3.1. Hydrography, nutrients and atmospheric dust concentration ......... 55
2.3.2. Chlorophyll a.................................................................................. 58
2.3.3. Trichodesmium abundance and community N2 fixation................. 59
13
ÍNDICE
2.4. DISCUSSION ........................................................................................ 61
2.4.1. Trichodesmium distribution ............................................................ 61
2.4.2. Nitrogen fixation............................................................................. 62
2.4.3. Conclusions..................................................................................... 65
3. Latitudinal distribution of Trichodesmium and N2 fixation in the Atlantic
Ocean ................................................................................................................ 67
ABSTRACT.................................................................................................. 69
3.1. INTRODUCTION.................................................................................. 71
3.2. MATERIAL AND METHODS ............................................................. 72
3.2.1. Sampling, hydrography and irradiance ........................................... 72
3.2.2. Satellite inference of dust presence in the atmosphere ................... 74
3.2.3. Chlorophyll a concentration ........................................................... 74
3.2.4. Trichodesmium abundance ............................................................. 74
3.2.5. Dinitrogen (N2) fixation.................................................................. 75
3.3. RESULTS .............................................................................................. 75
3.3.1. Hydrography, nutrients and estimated dust presence in the
atmosphere................................................................................................ 75
3.3.2. Chlorophyll a concentration ........................................................... 79
3.3.3. Trichodesmium abundance and N2 fixation .................................... 79
3.3.4. Relative contribution of Trichodesmium to community N2 fixation
.................................................................................................................. 84
3.4. DISCUSSION ........................................................................................ 84
3.4.1. Latitudinal distribution of Trichodesmium ..................................... 84
3.4.2. Latitudinal distribution of N2 fixation............................................. 87
3.4.3. N2 fixation in the South Atlantic..................................................... 88
3.4.4. Biogeochemical significance of N2 fixation ................................... 89
4. Large-scale meridional and zonal variability in the nitrogen isotopic
composition of plankton in the Atlantic Ocean............................................. 93
ABSTRACT.................................................................................................. 95
4.1. INTRODUCTION.................................................................................. 97
14
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
4.2. MATERIAL AND METHODS ............................................................. 99
4.2.1. Sampling, hydrography and chlorophyll a ..................................... 99
4.2.2. Natural abundance of nitrogen isotopes in suspended particles ... 100
4.2.3. Natural abundance of nitrogen isotopes in plankton .................... 101
4.3. RESULTS ............................................................................................ 102
4.3.1. Hydrography and fluorescence ..................................................... 102
4.3.2. Stable nitrogen isotopes in suspended particles (δ15Nsp) and
particulate organic nitrogen (PON) ........................................................ 104
4.3.3. Nitrogen isotopic signature in the euphotic layer ......................... 107
4.3.4. Diazotroph nitrogen contribution to δ15N in the euphotic layer ... 110
4.4. DISCUSSION ...................................................................................... 110
4.4.1. Zonal and meridional variations in δ15N in the North gyre .......... 112
4.4.2. Meridional variations in δ15N in the equatorial region ................. 115
4.4.3. Meridional variations in δ15N in the South gyre region................ 117
4.4.5. Conclusions .................................................................................. 118
5. Síntesis y conclusiones............................................................................... 121
5.1. SÍNTESIS ............................................................................................ 123
5.1.1. Variabilidad zonal en el Atlántico norte....................................... 123
5.1.2. Variabilidad latitudinal en el océano Atlántico ............................ 124
5.1.3. Abundancia natural de isótopos de nitrógeno en la capa eufótica 125
5.1.4. Los problemas de la adición de 15N2 como burbuja de gas........... 126
5.1.5. Futuros estudios............................................................................ 128
5.2. CONCLUSIONES ............................................................................... 129
6. Resumen .................................................................................................... 131
6.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................... 133
6.2. MÉTODOS .......................................................................................... 134
6.2.1. Muestreo, hidrografía, nutrientes y clorofila a ............................. 134
6.2.2. Inferencia mediante detección por satélite de polvo atmosférico. 136
6.2.3. Abundancia de Trichodesmium .................................................... 136
6.2.4. Fijación de nitrógeno (N2) ............................................................ 136
15
ÍNDICE
6.2.5. Abundancia natural de isótopos de nitrógeno en plancton ........... 137
6.3. RESULTADOS.................................................................................... 138
6.3.1. Hidrografía, nutrientes y polvo atmósferico ................................. 138
6.3.2. Abundancia de Trichodesmium y fijación de nitrógeno ............... 140
6.3.3. Isótopos de nitrógeno en la capa eufótica ..................................... 141
6.4. DISCUSIÓN ........................................................................................ 143
6.4.1. Trichodesmium ............................................................................. 143
6.4.2. Fijación de nitrógeno .................................................................... 144
6.4.3. Isótopos de nitrógeno.................................................................... 145
Referencias ...................................................................................................... 147
Agradecimientos .............................................................................................. 167
16
Introducción
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
La disponibilidad de nutrientes es uno de los factores que controlan
estrechamente el funcionamiento de la bomba biológica de carbono en los
océanos. El nitrógeno es el principal macronutriente limitante de la producción
primaria en la mayoría de sistemas marinos (Vitousek y Howarth, 1991). En
agua de mar, el nitrógeno inorgánico se encuentra en una amplia variedad de
formas químicas y estados de oxidación, incluyendo: nitrato, NO3−; nitrito,
NO2−; óxido nitroso, N2O; nitrógeno molecular, N2; o amonio, NH4+ (Gruber,
2008). Esta flexibilidad favorece que participe en una amplia variedad de
reacciones redox, la mayoría de las cuales están asociadas a procesos de
asimilación y desasimilación por parte de los organismos (Figura 1.1). El
nitrógeno molecular representa el compartimento más abundante en el medio
marino. Sin embargo, a priori es poco reactivo, ya que romper el triple enlace
que une los átomos de nitrógeno requiere un suministro elevado de energía y
poder reductor (Paerl y Zehr, 2000). Sólo un reducido número de organismos
procariotas es capaz de aprovechar este reservorio, mediante un proceso
denominado fijación de nitrógeno.
Figura 1.1. Reacciones de asimilación y desasimilación de las principales
formas de nitrógeno en el medio marino. Adaptada de la Figura 1.2. de
Gruber (2008).
19
1. INTRODUCCIÓN
1.1. LA FIJACIÓN DE NITRÓGENO MOLECULAR
De todos los procesos implicados en la circulación biológica del nitrógeno
(Figura 1.1), la fijación de nitrógeno molecular, es decir, la conversión
biológica de N2 en amonio, constituye una de las entradas más importantes de
nitrógeno nuevo en las regiones oligotróficas de los océanos (Karl et al., 2002;
Mahaffey et al., 2005). Su papel en el secuestro de dióxido de carbono
atmosférico (CO2) y, por lo tanto, en el ciclo del carbono, es directo (Karl et al.,
2002). El nitrógeno transportado desde capas profundas del océano va
acompañado de carbono inorgánico disuelto, parte del cual puede ser de nuevo
liberado a la atmósfera, lo que reduce la captación neta de CO2. Por el contrario,
el nitrógeno introducido a través de la fijación de N2 estimula directamente la
fijación fotosintética de carbono inorgánico disuelto en aguas superficiales y,
por lo tanto, facilita la retirada de CO2 atmosférico hacia aguas profundas por
parte de la bomba biológica (Michaels et al., 2001).
La enzima responsable de la fijación de N2, la nitrogenasa, es de origen antiguo.
Se cree que apareció hace más de 3.000 millones de años, cuando aún
dominaban las condiciones reductoras en la atmósfera (Falkowski, 1997). Así,
en la actualidad, sólo está presente en procariotas y se inactiva irreversiblemente
en presencia de oxígeno. Es un complejo enzimático de baja especificidad por
sustrato, capaz de catalizar la reducción de numerosas moléculas que posean un
triple enlace. Por esta razón, se ha sugerido que originariamente su función
habría sido de detoxificación celular (Paerl y Zehr, 2000). Dicho complejo está
constituido por dos metaloproteínas: la dinitrogenasa y la dinitrogenasa
reductasa (Figura 1.2).
La dinitrogenasa reductasa se encarga de reducir la nitrogenasa que, a su vez,
cataliza la reducción del nitrógeno. El cofactor metálico de la dinitrogenasa
reductasa es el hierro (Fe) y su estructura se encuentra muy conservada, por lo
que existe poca variabilidad entre las distintas especies que la sintetizan. Por
ello, el gen que codifica esta proteína, el nifH, es una herramienta útil en
estudios moleculares de la identificación de especies fijadoras de N2 en el medio
marino (Paerl y Zehr, 2000).
20
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
Figura 1.2. Estructura molecular de la enzima nitrogenasa: A) enzima
completa según Dixon y Kahn (2004), la “Fe protein” representa la
dinitrogenasa reductasa, la “MoFe protein” es la dinitrogenasa, el “Bound
nucleotide” representa al ATP/ADP; B) representación de la
dinitrogenasa, fuente:
http://www.scripps.edu/news/scientificreports/sr2004/mb04noodleman.html
Por el contrario, la estructura de la dinitrogenasa es mucho más variable. Los
cofactores que se encuentran con más frecuencia en esta proteína son molibdeno
(Mo) y hierro (Fe), pero algunos grupos usan alternativamente vanadio (V) o
wolframio (W) sustituyendo al molibdeno (Bishop et al., 1980; Fallik et al.,
1991).
En condiciones óptimas, la reducción biológica de N2 sigue la siguiente
estequiometría:
N2 + 8H+ + 8e− + 16 MgATP → 2 NH3 + H2 + 16 MgADP + 16 Pi
En la figura 1.3 se muestra la reacción con más detalle, desglosando las
funciones de cada metaloproteína del complejo enzimático. Es evidente que se
trata de un proceso muy costoso desde el punto de vista energético. Se necesita
mucha energía y poder reductor para catalizar la ruptura del triple enlace del N2.
Por esta razón, la actividad de la nitrogenasa está muy regulada y son
numerosas las variables que determinan su síntesis y expresión como, por
21
1. INTRODUCCIÓN
ejemplo, la disponibilidad de nutrientes o la presencia de oxígeno (Karl et al.,
2002).
Figura 1.3. Esquema de la fijación de nitrógeno con la función de cada
componente de la enzima nitrogenasa detallado, el círculo marcado como
DR-Fe representa a la dinitrogenasa reductasa. Traducida de NIIR Board
(2004) Plant Biotechnology Handbook. ISBN: 8186623833.
http://www.niir.org/books/book/plant-biotechnology-handbook-niirboard/isbn-8186623833/zb,,75,a,d,0,a/index.html
1.2. LOS FIJADORES DE NITRÓGENO
Los organismos con la capacidad para reducir N2, también denominados
diazótrofos, son todos procariotas pertenecientes a los dominios Bacteria y
Archaea. En la revisión de Karl et al. (2002) se detallan los siguientes grupos en
el medio marino:
i)
22
cianobacterias de vida libre, unicelulares o coloniales, con o sin
heterocistos, tanto fotoautótrofas como fotoheterótrofas, que
incluyen representantes en los géneros Synechococcus,
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
Synechocystis, Oscillatoria,
Trichodesmium;
Nodularia,
Aphanizomenen
y
ii) bacterias anoxigénicas fotoautótrofas y fotoheterótrofas;
iii) bacterias de vida libre, quimioheterótrofas facultativas anaerobias
como, por ejemplo, Vibrio diazotrophicus;
iv) bacterias quimioautótrofas, incluidas en los géneros Thiobacillus y
Beggiatoa;
v) bacterias y archaeas anaerobias
Desulfovibrio
desulfuricans
y
respectivamente;
obligadas, por ejemplo
Methanosarcina
spp.,
vi) cianobacterias epífitas de macroalgas;
vii) bacterias quimioheterótrofas endosimbiontes de otras especies de
microalgas como, por ejemplo, Richelia intracellularis;
viii) bacterias ecto- y endosimbiontes de invertebrados marinos;
Como vemos hay una amplia variedad de fijadores documentados en el medio
marino. Sin embargo, la mayoría de los estudios hechos en las últimas décadas
se han centrado casi exclusivamente en los representantes del género
Trichodesmium. Entre las múltiples razones que explican el interés que ha
suscitado este grupo podemos destacar: su ubicuidad en las regiones
oligotróficas, lo cual junto con sus tasas relativamente altas de fijación de N2,
sugieren que tienen potencial para influir de manera notable en el ciclo del
nitrógeno; la capacidad para generar extensas proliferaciones (con abundancias
superiores a 2.000-3.000 filamentos por litro y extensiones de miles de km2),
visibles incluso desde el espacio (Figura 1.4) y la facilidad para identificarlas y
trabajar con ellas, ya que se ven a simple vista, por lo que la manipulación de
las colonias es sencilla (Figura 1.5). Los datos disponibles señalan a las
cianobacterias como el grupo más relevante de diazótrofos marinos, por lo cual
las describimos con más detalle en el siguiente apartado.
23
1. INTRODUCCIÓN
Figura 1.4. Fotografía tomada desde un transbordador espacial
mostrando una proliferación de Trichodesmium en el Canal de
Capricornio, cerca de la Gran Barrera de Coral en Australia. Fuente:
http://www.soes.soton.ac.uk/staff/tt/nf/structure/
1.3. LAS CIANOBACTERIAS DIAZÓTROFAS
Los tres grupos principales de cianobacterias fijadoras de N2 en las regiones
oligotróficas son (Zehr, 2011): a) el género Trichodesmium; b) los simbiontes
formadores de heterocistos (e.g. Richelia y Calothrix) y c) las cianobacterias
unicelulares.
1.3.1. Trichodesmium
Los representantes del género Trichodesmium son cianobacterias filamentosas
(Figura 1.6), no heterocísticas, con capacidad para formar colonias y que
aparecen con frecuencia en mares tropicales y subtropicales con temperaturas
por encima de 20ºC (Capone et al., 1997). Los filamentos reciben el nombre de
tricomas y cada uno de ellos contiene una media de 100 células (Carpenter y
Capone, 1992). Las colonias presentan dos morfologías típicas: forma esférica,
24
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
denominada puff, y forma de haz, llamada tuft (Figura 1.6). Como media se
pueden encontrar unos 200 tricomas por colonia (Carpenter, 1983). En el medio
marino aparecen tanto tricomas libres como colonias. Contra lo que se pensaba
tradicionalmente, estudios recientes sugieren que la abundancia de tricomas
libres en la columna de agua puede superar a la abundancia de filamentos en
colonias (Carpenter et al., 2004; González Taboada et al., 2010).
Figura 1.5. Detalle de colonia esférica de Trichodesmium dentro de una
botella Corning de 70 mL. Foto: A. Bode (Trynitrop 2008).
Se conocen 5 especies de Trichodesmium (T. erythraeum, T. thiebauthii, T.
tenue, T. hildebrandtii y T. contortum), que pueden diferenciarse según
características morfológicas y suelen coexistir en el medio natural (Karl et al.,
2002). Sin embargo, diversos estudios genéticos señalan la existencia de sólo
dos grupos principales: T. erythraeum y las demás especies (Zehr, 2011). Desde
principios de los años 80, se han podido aislar y mantener en cultivo tres cepas:
a) la NIBB1067 aislada en aguas de Kuroshio (Ohki y Fujita, 1982); b) la
IMS101, de aguas costeras del Atlántico norte (Prufet-Bebout et al., 1993); y c)
25
1. INTRODUCCIÓN
la MACC0993, de la zona costera de Qingdao en China (Haxo et al., 1987). Las
dos primeras están próximas a T. erythraeum y, de ellas, la cepa IMS101 es la
que ha sido objeto de más estudios.
Figura 1.6. Tricoma libre (A) y estructuras típicas de colonias de
Trichodesmium: puff (B) y tuft (C).
Es interesante señalar que Trichodesmium posee una vacuola gaseosa
relativamente grande en el interior de la célula. Se ha sugerido que estas
cianobacterias son capaces de realizar migraciones en la columna de agua
gracias a este orgánulo. Se cree que la flotabilidad positiva que proporciona la
vacuola, combinada con la capacidad para almacenar carbohidratos, que
actuarían como lastre, les daría un cierto control sobre la flotabilidad,
permitiendo dichas migraciones para aprovisionamiento de nutrientes (Karl et
al., 1992; Villareal y Carpenter, 2003).
La característica más intrigante de este grupo es el hecho de que realizan la
fijación de N2 durante el día. La fijación de Trichodesmium describe un ritmo
circadiano similar al de la fotosíntesis, también relacionado con la luz. Sin
embargo, este grupo carece de heterocistos en los que puedan proteger a la
26
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
nitrogenasa del oxígeno. Además, se sabe que la nitrogenasa de Trichodesmium
no difiere sustancialmente de la del resto de diazótrofos (Sroga et al., 1996;
Zehr et al., 1997). Entonces, ¿cuáles son los mecanismos de protección de la
enzima en estas especies? Inicialmente se sugirió que, en las zonas centrales de
las colonias, el consumo de oxígeno se vería favorecido por la disposición de
los tricomas y la fijación de N2 sería posible. Pero se sabe que los tricomas
libres también tienen capacidad para fijar N2, por lo que este mecanismo no
sería aplicable en su caso (Karl et al., 2002). Por otra parte, parece que puede
existir una ligera separación temporal de ambos procesos: en las horas centrales
del día la fijación de nitrógeno es máxima y la fotosíntesis disminuye lo
suficiente para generar regiones anóxicas (Berman-Frank et al., 2001b).
Actualmente se debate la existencia de células especializadas, denominadas
diazocitos, que se distribuyen en baja cantidad a lo largo de los tricomas, tienen
una estructura celular ligeramente modificada y son ricas en nitrogenasa
(Frederiksson y Bergman, 1997). Diversos estudios han detectado que la
nitrogenasa aparece sólo en el 10-15% de las células de un tricoma (Lin et al.,
1998; Berman-Frank et al., 2001b; El-Shehawy et al., 2003) y, por tanto,
confirmarían la existencia de los diazocitos. Sin embargo, también existen
publicaciones que demuestran una distribución equitativa de la nitrogenasa en
los filamentos de Trichodesmium (Paerl et al., 1989; Ohki, 2008; Ohki y
Taniuchi, 2009). Por ello todavía no están claros los mecanismos de protección
in vivo que permiten a esta cianobacteria realizar simultáneamente la fijación de
N2 y la fotosíntesis.
La mayoría de grupos de zooplancton pelágico no consume a los representantes
de Trichodesmium (O’Neil y Roman, 1992), debido a su toxicidad (Hawser et
al., 1992), y sólo algunos copépodos harpaticoides parecen ser capaces de
depredar a esta cianobacteria (O’Neil, 1997). Por lo tanto, la exudación directa
de nitrógeno orgánico disuelto, que puede representar hasta un 50% del total de
N2 recién fijado (Glibert y Bronk, 1994), sería la vía principal de transmisión
del nitrógeno recién fijado por Trichodesmium a la red. También se ha definido
una vía de liberación por lisis celular, que puede ser mediada por virus (Hewson
et al., 2004) o por un proceso autocatalítico de muerte celular desencadenado
27
1. INTRODUCCIÓN
por la limitación por hierro y/o fósforo, altas irradiancias o estrés oxidativo
(Berman-Frank et al., 2004).
1.3.2. Cianobacterias heterocísticas
En el medio marino, las cianobacterias formadoras de heterocistos son típicas de
zonas costeras, sobre todo de estuarios y el mar Báltico, donde es frecuente que
proliferen (Zehr, 2011). Sin embargo, en las regiones oligotróficas son poco
abundantes. La razón que explicaría esta baja abundancia se relaciona con la
baja solubilidad de los gases (O2, N2) al aumentar la temperatura. En estas
condiciones, el flujo de N2 al interior del heterocisto podría llegar a ser
limitante, debido la baja difusividad de la pared lipídica del heterocisto, que no
sólo limitaría la entrada de O2. Cuando está limitada por sustrato, la nitrogenasa
deriva el flujo electrónico hacia la producción de H2, lo que implica un
desperdicio de energía metabólica y poder reductor que puede llevar a la muerte
celular (Staal et al., 2003; Stal, 2009). Así, las cianobacterias heterocísticas se
verían excluidas de estos ambientes por otras cianobacterias más competitivas a
temperaturas altas, como, por ejemplo, las del género Trichodesmium. En
océano abierto, encontramos a especies representantes de Richelia y Calothrix,
habitualmente endosimbiontes de diversos géneros de diatomeas como
Rhizosolenia y Hemiaulus (Zehr, 2011).
1.3.3. Cianobacterias unicelulares libres
Las cianobacterias unicelulares de vida libre se han descubierto recientemente
(Zehr et al., 1998). En base a estudios de diversidad genética de nifH se han
identificado, en diversos océanos y mares, tres grupos denominados: a) el grupo
A o UCYN-A (abreviatura inglesa de unicellular cyanobacteria); b) el grupo b
o UCYN-B y c) el grupo C o UCYN-C, que se relaciona con un género de
cianobacterias bentónicas, Cyanothece. Los tres grupos son integrantes del
nano- y picofitoplancton.
28
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
Los representantes del grupo A tienen un diámetro inferior a 1 µm y carecen de
ficoeritrina, el pigmento fotosintético típico en cianobacterias, por lo que ni las
técnicas de microscopia tradicionales ni las de epifluorescencia de la ficoeritrina
permitieron identificarlos (Zehr, 2011). Han sido necesarios estudios genéticos
hechos a partir de células separadas por fluorescence-activated cell sorting
(FACS), un tipo especial de citometría de flujo, para caracterizarlos. Los
resultados obtenidos sugieren que los UCYN-A son similares al grupo
bentónico Cyanothece y carecen de fotosistema II (Zehr et al., 2008). Además,
tampoco presentan otras características enzimáticas, como la presencia de la
RuBisCO o el ciclo de Krebs (Tripp et al., 2010), lo que indica que los
representantes de este grupo son fotoheterótrofos y, según se ha sugerido,
posiblemente también simbiontes, dado que necesitan una fuente externa de
carbono orgánico (Zehr, 2011). Sin embargo, hasta la fecha, no se han
encontrado evidencias claras de asociación de los UCYN-A con otros grupos
del fitoplancton (Zehr, 2011).
Las cianobacterias del grupo B son las únicas que se han aislado y cultivado
satisfactoriamente. Actualmente, se dispone de 10 cepas del UCYN-B,
provenientes de los océanos Atlántico y Pacífico, que se incluirían todas en el
género Crocosphaera (Webb et al., 2009). Son fotoautótrofos, poseen
ficoeritrina y realizan la fijación de N2 durante la noche. Su tamaño es
ligeramente superior al de los UCYN-A, 3-8 µm.
1.4. REGULACIÓN DE LA FIJACIÓN DE N2
La reducción de un mol de nitrato para dar lugar a amonio sólo requiere de 2
moles de ATP, por lo cual es lógico esperar que la disponibilidad de nitrógeno
combinado sea una variable importante en la regulación de la nitrogenasa.
Diversos estudios con cultivos de la cianobacteria Trichodesmium, muestran
que la disponibilidad de nitrógeno combinado, inorgánico u orgánico, hace que
la fijación de N2 se reduzca o incluso se inhiba por completo (Ohki et al., 1991;
Mulholland et al., 1999; Mulholland et al., 2001; Holl y Montoya, 2005).
29
1. INTRODUCCIÓN
Como el nitrógeno molecular es el componente más abundante de la atmósfera
(78%), los fijadores de N2 tienen una fuente casi ilimitada de nitrógeno a su
disposición. En este contexto, el fósforo se convertiría en su principal limitante.
Tanto en poblaciones naturales como en cultivos de fijadores, la baja
disponibilidad de fósforo tiene un papel limitador directo sobre la fijación de N2
(Mulholland y Bernhardt, 2005; Mills et al., 2004; Sañudo-Wilhelmy et al.,
2004). En el caso particular de Trichodesmium, se ha sugerido el desarrollo de
múltiples estrategias para cubrir su demanda celular, como: a) la capacidad para
consumir fósforo orgánico disuelto mediada por la enzima alcalina fosfatasa
(Mulholland et al., 2002; Dyhrman et al., 2006); b) el luxury uptake de fósforo
inorgánico, que le permitiría mantener una reserva intracelular de nutriente en
exceso de sus requerimientos inmediatos (Fu et al., 2005); o c) la capacidad
para sustituir los fosfolípidos de la membrana por lípidos no fosfatados en
condiciones de limitación por fósforo (Van Mooy et al., 2009).
Por otro lado, los cofactores metálicos que necesita el complejo enzimático
también son limitadores potenciales de la fijación de N2. El molibdeno es
consumido como molibdato (MoO4−2), un análogo estructural del sulfato
(SO4−2). Este último se encuentra en concentraciones milimolares en agua de
mar. Se ha demostrado la existencia de antagonismo entre ambos iones a altas
concentraciones de sulfato (Cole et al., 1993). Sin embargo, el efecto sobre el
consumo de molibdato es parcial, no llegando a inhibirse completamente. Dado
que la demanda celular de molibdeno es relativamente baja, parece probable que
el consumo y almacenamiento de este cofactor, a las tasas medidas en el medio
marino, sean suficientes para cubrir las cuotas celulares (Karl et al., 2002).
Además, como hemos visto, existen proteínas que usan otros cofactores, lo que
evitaría la limitación por molibdeno. Por todo ello, es improbable que el
molibdeno sea un factor de control principal de la fijación de N2 en el medio
marino.
Muchos de los fijadores de N2 son también fotoautótrofos, por lo que su
demanda celular de hierro debería ser relativamente alta en comparación con los
fotoautótrofos estrictos, debido a los requerimientos de la nitrogenasa. Según
sugieren los estudios de Berman-Frank et al. (2001b) y Kustka et al. (2003b),
30
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
dicha demanda sería entre 5 y 10 veces superior a la de otros fotoautótrofos no
fijadores de N2. Si, además, tenemos en cuenta que la cantidad de hierro
disponible en las regiones oligotróficas, donde se localizan la mayoría de los
diazótrofos, es extremadamente baja (<1 nM), que en su mayor parte se
encuentra complejado con una amplia variedad de ligandos orgánicos (Wu et
al., 2000) y que su suministro es principalmente atmosférico (Duce y Tindale,
1991), el hierro se presenta como un factor crítico en la regulación de la fijación
de N2. Por ello, los fijadores parecen haber adoptado distintas estrategias que les
permitan cubrir sus necesidades de este metal. Experimentos con cultivos de
distintas cianobacterias señalan que las especies de mayor tamaño y coloniales,
como Trichodesmium y Anabaena, tienden a estar más limitadas por hierro que
las especies unicelulares, como Cyanothece, cuyos requerimientos serían
menores y su eficiencia de uso del hierro mayor, gracias a que confinan la
fijación de N2 a la noche, separándola temporalmente de la fotosíntesis
(Berman-Frank et al., 2007). También se ha sugerido que las colonias de
Trichodesmium han desarrollado la capacidad de hacer uso directo de las
partículas de polvo atmosférico depositadas (Rueter et al., 1992; Rubin et al.,
2011; Langlois et al., 2012), facilitando así la disolución del hierro, además de
su disponibilidad y permitiéndole un luxury uptake de hierro que mantenga una
reserva intracelular del mismo (Chen et al., 2011).
El oxígeno es otro regulador importante de la fijación de N2, ya que, como
hemos visto, tiene un efecto negativo directo sobre la nitrogenasa. En un medio
rico en oxígeno y siendo muchos de ellos fotoautótrofos, los fijadores han
tenido que adoptar diversas estrategias de protección de la enzima entre las que
destacan (Paerl y Zehr, 2000):
i)
el desarrollo de células diferenciadas, denominadas heterocistos, en
las que la estructura de su pared reduce notablemente la difusión de
oxígeno al interior, donde sólo se realiza la fijación de N2;
ii) separación espacial de la fotosíntesis y la fijación de N2, como
sucede en algunas especies coloniales que carecen de heterocistos,
por ejemplo, Trichodesmium (Berman-Frank et al., 2001b);
31
1. INTRODUCCIÓN
iii) separación temporal de los procesos, de manera que la fotosíntesis
se realizaría durante el día y la fijación de N2 durante la noche;
iv) asociaciones mutualistas y simbiosis con otros organismos
planctónicos, en las que el fijador suministra el nitrógeno
combinado y el otro proporciona la protección frente al oxígeno
ambiental. Por ejemplo, las asociaciones de los fijadores del género
Richelia con diatomeas de los géneros Rhizosolenia o Hemiaulus
(Karl et al., 2002);
v) modificaciones del complejo enzimático para que el oxígeno lo
inactive sólo temporalmente, en lugar de hacerlo irreversiblemente;
vi) capacidad de autoprotección del propio complejo enzimático,
mediante la reducción del oxígeno catalizada por la nitrogenasa
reductasa (Bergman et al., 1997).
Por último, la temperatura parece ser un factor clave en el control de la fijación
de N2 (Carpenter y Capone, 2008). Sin embargo, concluir que existe un efecto
directo sobre la actividad de la nitrogenasa no es inmediato, ya que en el medio
marino temperatura y concentración de nitrato están correlacionados
inversamente (Karl et al., 2002). Mediante una aproximación teórica, Stal
(2009) muestra que el efecto de la temperatura sobre los fijadores no
heterocísticos es indirecto. A medida que desciende la temperatura del agua
aumenta la solubilidad del oxígeno y también disminuye la capacidad
respiratoria de los organismos. Por debajo de un límite teórico de temperatura,
estimado a partir del coeficiente de temperatura (Q10), los procesos respiratorios
de los fijadores son de menor magnitud que la tasa de difusión de oxígeno al
interior celular y no podrían mantener la anoxia intracelular que garantiza el
funcionamiento de la nitrogenasa. En el caso particular de Trichodesmium, Stal
(2009) calcula que este mínimo es 16,9ºC, que coincide con el mínimo
experimental de crecimiento del organismo en cultivos de 17ºC determinado por
Breitbarth et al. (2007).
32
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
1.5. LA FIJACIÓN
ESTIMACIONES
DE
NITRÓGENO:
MEDIDAS
DIRECTAS
Y
Las determinaciones experimentales de fijación de N2 se hacen principalmente
mediante dos técnicas: el ensayo de reducción de acetileno (acetylene reduction
assay, ARA) y la técnica de incorporación de N2 enriquecido en 15N, un isótopo
estable del nitrógeno muy escaso en el N2 atmosférico.
El ensayo de reducción de acetileno en etileno aprovecha la baja especificidad
de la enzima nitrogenasa por sustrato y usa el acetileno como un análogo del N2.
Tiene la ventaja de que es muy sensible, permite obtener señal con tiempos de
incubación de segundos a minutos, y su medición, mediante cromatografía de
gases, es relativamente sencilla (Stewart et al., 1967). Por eso se ha empleado
tradicionalmente y se sigue empleando, tanto en laboratorio como en campo,
para estimar las tasas de fijación de N2. Se trata de una medida indirecta cuya
transformación en tasas de fijación se hace mediante un factor de conversión,
que tiene un valor teórico de 3:1 (C2H2:N2), y que se calcula por la diferencia en
el número de electrones necesarios para reducir ambas moléculas. En la mayoría
de ecosistemas, este factor suele permanecer constante; sin embargo, la
intercalibración con el método del 15N2 ha mostrado que existen excepciones
que presentan cierta variabilidad en el rango de 3:1 a 9:1. Esto hace
recomendable convertir esa calibración en rutinaria para facilitar las
comparaciones de los datos de ambos métodos (Montoya et al., 1996). Por
último, es importante señalar que la medida de la reducción de acetileno nos da
información sobre la tasa bruta de fijación de N2, ya que no tiene en cuenta la
liberación extracelular de nitrógeno recién fijado. La variabilidad en la
importancia de esta liberación extracelular puede contribuir a explicar los
cambios en el factor de conversión del ensayo de reducción de acetileno.
La mejora de la sensibilidad y simplificación de uso de la espectrometría de
masas en los últimos 20 años ha permitido la generalización de la técnica del
15
N2, que en los años 1960 era un método complejo y tedioso. Montoya et al.
(1996) presentan un método relativamente sencillo basado en la adición de una
burbuja de N2 enriquecido en 15N en un 98-99% para la medida directa de la
tasa neta de fijación de N2, produciendo una menor perturbación en las
33
1. INTRODUCCIÓN
poblaciones. Las ventajas que señalan los autores sobre la reducción de
acetileno son: a) es una medida directa de la conversión de N2 en biomasa; b) el
volumen final de gas dentro de la botella es mucho menor, por lo tanto la
agitación será menos agresiva y no contribuirá tanto al efecto botella; c) aunque
la sensibilidad de las dos técnicas en sistemas eutróficos es similar, en sistemas
oligotróficos la técnica del 15N2 es más sensible; d) además, permite seguir el
movimiento del N2 en la red trófica; e) por último, la incubación de 15N2 junto
con 13C-HCO3− posibilita los estudios conjuntos de diazotrofía y producción
primaria.
Sin embargo, el método tradicional de inyección de N2 en burbuja podría estar
subestimando las tasas de fijación de N2, como consecuencia del tiempo de
incubación y/o la composición de la comunidad de diazótrofos (Mohr et al.,
2010; Grosskopf et al., 2012). Se ha visto que, en incubaciones cortas, el gas
inyectado no alcanza el equilibrio con el agua de la botella, por lo que la
disponibilidad del mismo será menor de la esperada y, en consecuencia, las
tasas relativas medidas también serán menores (Mohr et al., 2010). Por otro
lado, el grado de aprovechamiento de esa menor cantidad de gas parece
depender de la composición específica de la comunidad. Por ejemplo, si el
diazótrofo dominante fuese Trichodesmium, la subestimación llegaría, en
promedio, a la mitad (Grosskopf et al., 2012). Ambos estudios proponen un
método de disolución previa del 15N2 añadido a las botellas, que evitaría los
problemas de equilibrio y aprovechamiento y, además, simplificaría el trabajo
de campo.
La resolución espacial y vertical que se obtiene mediante las técnicas de medida
directa por incubación está claramente limitada por factores como el número de
réplicas, el tiempo de incubación, el número de estaciones diarias posible, etc.
Además, sólo obtenemos medidas puntuales en el tiempo, por lo que la
integración de la fijación de nitrógeno tanto a escalas espaciales como
temporales amplias es difícil y puede no representar adecuadamente la
variabilidad de este flujo. Por ello, el uso de estimaciones indirectas es
inevitable, ya que permiten obtener datos más representativos en regiones más
amplias durante periodos de tiempo más largos. Las aproximaciones empleadas
34
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
con mayor frecuencia son el análisis de la señal isotópica de nitrógeno en
partículas y zooplancton o las estimaciones geoquímicas que reflejan las
variaciones de las concentraciones de nitrato y fosfato, debidas al balance y
estequiometría de la fijación de N2 y desnitrificación y expresadas mediante un
trazador biogeoquímico conocido como N* (Gruber y Sarmiento, 1997).
El análisis de la señal isotópica se basa en la diferente relación de isótopos de
nitrógeno (15N y 14N) que presentan las distintas fuentes de nitrógeno
combinado. El N2 de la atmósfera está empobrecido de manera natural en 15N,
en una proporción 15N/14N = 0,003676 (Montoya et al., 1996). Mientras, el
nitrato profundo que entra por difusión vertical está enriquecido en 15N, con una
proporción media de 15N/14N = 0,003693 (Montoya et al., 2002). La magnitud
de estas proporciones es tan baja, que resulta más sencillo cuantificar las
diferencias en la proporción 15N/14N que los valores absolutos en sí. Así, por
convención, se emplea un indicador de la abundancia natural de 15N, el δ15N,
respecto a un valor de referencia, que por convenio es la abundancia del N2
atmosférico (Coplen et al., 1992), y que se expresa como:
15
N:14N muestra
15
N:14N referencia
15
δ N = (
-1 ) x 1000 (‰)
En el medio marino, este indicador toma valores en un rango de −2 a 30‰ en la
materia particulada o los nutrientes inorgánicos. La aproximación más sencilla
en este análisis sería asumir que el δ15N de la biomasa de los productores
primarios refleja directamente la relación isotópica de la fuente de nitrógeno
empleada. Así, valores próximos a cero o negativos del δ15N de la comunidad
microbiana identifican zonas en las que la fijación de N2 es un proceso
preferente de entrada de nitrógeno. Sin embargo, la diferencia de peso de los
isótopos provoca una discriminación negativa contra el isótopo pesado (15N) en
la mayoría de reacciones. Es lo que se conoce como fraccionamiento cinético
isotópico, que es una medida de las diferentes tasas de reacción de las moléculas
35
1. INTRODUCCIÓN
según contengan uno u otro isótopo de nitrógeno (Montoya, 2008). Dicho
fraccionamiento sólo se produce mientras la reacción no consuma
completamente los sustratos. Así, una comunidad de fitoplancton creciendo con
nitrato proveniente de un pulso de afloramiento, al principio tendrá una señal
menor, es decir, más ligera, que la del propio nitrato y acabará igualándola
cuando se consuma completamente el nitrato aflorado. Las distintas reacciones
metabólicas del ciclo del nitrógeno tienen sus propias tasas de fraccionamiento,
que no son universales; por lo tanto, el grado de enriquecimiento o
empobrecimiento en 15N que provocan en los sustratos y productos será
diferente (Figura 1.7).
Figura 1.7. Valores típicos del factor de enriquecimiento isotópico en las
reacciones de asimilación y desamilación del nitrógeno en el medio
marino. Figura adaptada de Gruber (2008), valores de Montoya (2008).
A este primer nivel de incertidumbre generado por la propia naturaleza de las
reacciones mediadas por la comunidad microbiana debemos añadir lo que se
denomina como efecto trófico (Montoya, 2008), que consiste en un
enriquecimiento sistemático en 15N de la biomasa del zooplancton al subir
niveles en la red trófica. Todavía no se ha definido el mecanismo exacto que lo
origina, pero se ha observado que la excreción del zooplancton resulta en la
36
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
liberación de amonio ligero, muy pobre en 15N, mientras que los tejidos se
enriquecen en dicho isótopo (Bada et al., 1989, Gannes et al., 1997). El primer
efecto evidente es la existencia de una reserva de amonio ligero que, una vez
incorporado en la biomasa del fitoplancton, daría lugar a una señal isotópica
similar a la de la incorporación de N2 atmosférico. Un tercer factor de
incertidumbre que conviene señalar es el efecto de la deposición atmosférica de
nitrógeno reactivo ligero, producido en muchos casos por actividades humanas,
como el uso de combustibles fósiles o la producción de fertilizantes. En
latitudes altas y medias, se ha detectado un descenso en el δ15N del nitrógeno
depositado en lagos a lo largo del último siglo (Hastings et al., 2009; Holtgrieve
et al., 2011). En el Atlántico Norte tropical, Baker et al. (2007) detectaron un
valor medio de δ15N en el nitrato de aerosoles de −3‰, con una disminución
clara de la señal hacia la zona este de la cuenca, más influenciada por los
aportes antropogénicos de nitrógeno (Duce et al., 2008). Según todo esto, los
procesos que determinan la señal isotópica final tanto en las partículas en
suspensión como en el zooplancton son muy variados y, por tanto, su análisis
resulta relativamente complicado.
El trazador N*, definido por Michaels et al. (1996) y modificado posteriormente
por Gruber y Sarmiento (1997), es un indicador biogeoquímico del exceso o
defecto de nitrato respecto a la estequiometría de Redfield. Se calcula, por tanto,
en base a las concentraciones de nutrientes (nitrato y fosfato) en la columna de
agua. En su expresión se añade una constante que fuerza a que la media global
de N*, calculada en función las bases de datos del GEOSECS, sea cero y se
mantenga en un estado conservativo. Por lo tanto cualquier desviación de ese
estado conservativo global será debida al balance de los procesos de
desnitrificación y fijación de N2 (Gruber y Sarmiento, 1997). La ecuación
modificada del N* es la siguiente:
N* = 0,87 × [NO3−] – 16 × [PO4−3] + 2,9
(µmol kg−1)
37
1. INTRODUCCIÓN
En general, el análisis de este indicador considera que un gradiente positivo no
conservativo de N* por encima de 2,5 µmol kg−1 implica un proceso neto de
fijación de N2, siempre que no existan procesos de mezcla importantes
(Mahaffey et al., 2005).
1.6. FIJACIÓN DE N2 EN EL OCÉANO ATLÁNTICO
Como vimos en apartados anteriores, la fijación de N2 es un proceso relevante
de entrada de nitrógeno nuevo en la capa fótica cuyo efecto sobre la captación
biológica de CO2 atmosférico es directo y más eficaz que el debido al flujo
ascensional de nitrato (Michael et al., 2001). Los exigentes requerimientos de
este proceso enzimático hacen que los diazótrofos sean menos aptos
competitivamente en ambientes ricos en nutrientes, como pueden ser las zonas
costeras o las regiones oceánicas sujetas a afloramientos regulares. Sin
embargo, la diazotrofía se convierte en una ventaja clara en ambientes
oligotróficos. Dado que las regiones oligotróficas representan más del 70% de la
superficie total de los océanos (Longhurst, 1998), podemos suponer que la
fijación de N2 será un proceso significativo de entrada de nitrógeno nuevo en la
capa eufótica.
En el océano Atlántico, muchos de los factores de regulación de la nitrogenasa,
que hemos visto en apartados anteriores, están sujetos a importantes gradientes
espaciales, tanto en latitud como en longitud. Por ejemplo, los aportes
atmosféricos de nutrientes tales como hierro o nitrógeno exhiben un claro
desequilibrio norte-sur, en frecuencia y en intensidad (Gao et al., 2001; Duce et
al., 2008), siendo mayores en el norte y en las proximidades de los continentes.
El forzamiento físico al que están sujetas las comunidades oceánicas cambia
notablemente hacia el interior de los giros, donde la termoclina se hace más
profunda y aumenta la estabilidad de la columna de agua, debilitando así la
entrada difusiva de nutrientes a la capa fótica. Estos gradientes deberían influir
sobre los patrones de distribución de los fijadores y su actividad. Sin embargo,
como veremos, los estudios de estas variables en escalas espaciales amplias, que
ayuden a esclarecer qué factores determinan los patrones observados en los
38
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
distintos océanos, son bastante escasos (Moore et al., 2009; Kitajima et al.,
2009; Moisander et al., 2010).
La información disponible muestra que, en el océano Atlántico, Trichodesmium
se distribuye preferentemente entre 0º y 20ºN (Tyrrell et al., 2003; Westberry y
Siegel, 2006; Moore et al., 2009) y de manera asimétrica; así, es más abundante,
e incluso llega a generar proliferaciones extensas, en el lado oeste (Carpenter et
al., 2004; Montoya et al., 2007). Los estudios de abundancia de copias de nifH
indican que Trichodesmium domina la comunidad de diazótrofos, especialmente
en aguas superficiales (Langlois et al., 2005; Langlois et al., 2008; Luo et al.,
2012). Entre los diversos factores que se señalan como controladores de la
distribución de Trichodesmium en los distintos océanos tenemos: a) alta
estabilidad de la columna de agua, con capas de mezcla profundas (100 m) y
gran penetración de la luz, además de bajas concentraciones de nutrientes
(Capone et al., 1997); b) temperaturas por encima de 20ºC, que favorecen tanto
la actividad de la nitrogenasa como los procesos de consumo de oxígeno
(Breitbarth et al., 2007; Stal, 2009); c) la disponibilidad de hierro y/o fósforo
(Berman-Frank et al., 2001a; Sañudo-Wilhelmy et al., 2001; Kustka et al.,
2003a; Mills et al., 2004; Mulholland y Bernhardt, 2005).
La mayoría de estudios de distribución y abundancia de cianobacterias
unicelulares se han restringido al Atlántico Norte. Todos ellos coinciden en que,
después de Trichodesmium, el grupo A es el más abundante en las muestras
superficiales (Langlois et al., 2005; Langlois et al., 2008; Foster et al., 2008;
Goebel et al., 2010). Sin embargo, al contrario de lo que ocurre con
Trichodesmium, siempre se ha detectado algún grupo de cianobacterias
unicelulares en todas las localizaciones estudiadas hasta la fecha, siendo más
abundantes y frecuentes los UCYN-A y mucho más raros los UCYN-C.
También se ha descrito un patrón longitudinal de abundancias inverso al de
Trichodesmium; así, el grupo A aparece en mayor cantidad en la cuenca este y
se le han asociado tasas de fijación de N2 similares o incluso superiores a las de
Trichodesmium en las proximidades de Cabo Verde (Goebel et al., 2010). Los
datos sugieren que esta distribución está controlada principalmente por la
temperatura. Los UCYN-A tienen preferencia por aguas más frías que los
39
1. INTRODUCCIÓN
UCYN-B o Trichodesmium (Langlois et al., 2005; Langlois et al., 2008; Goebel
et al., 2010), lo cual está apoyado por el modelo teórico de Stal (2009), que
calcula un mínimo teórico de temperatura para la fijación de N2 inferior al de
Trichodesmium. Esta tendencia se ve también confirmada por el estudio de
Moisander et al. (2010) en el Pacífico, que sugiere que la temperatura es el
principal factor determinante de la distribución de las cianobacterias
unicelulares, produciéndose, además, una segregación de los grupos A y B en
profundidad. Mientras el grupo B se localiza en aguas superficiales más cálidas,
el grupo A aparece asociado a aguas profundas y más frías. Estos autores
sugieren que esta distribución se debería a las diferentes adaptaciones de estos
grupos a la temperatura, las condiciones de luz y los requerimientos de
nutrientes. De todas formas, todavía hay muchos interrogantes abiertos respecto
a estos grupos de cianobacterias libres. Así, si los patrones descritos en el
Pacífico se repitiesen en otras zonas del mundo, la distribución potencial de los
fijadores de N2 y, por lo tanto, la importancia de la fijación de N2 en el ciclo
marino del nitrógeno sería mayor de lo que se ha considerado hasta ahora, dado
que la mayoría de modelos y estimaciones restringen la fijación de N2 sólo a las
áreas de distribución de Trichodesmium y a sus tasas de diazotrofía.
Las medidas directas de fijación de N2 hechas en estudios a escala de cuenca en
el Atlántico son también escasas (Voss et al., 2004; Staal et al., 2007; Moore et
al., 2009). Además, la mayoría de las medidas se han realizado en el hemisferio
norte y en el oeste (Capone et al., 2005; Mulholland et al., 2006; Montoya et al.,
2007), donde Trichodesmium es más abundante. No obstante, como se
mencionaba anteriormente, también se han medido tasas de fijación de N2
asociadas a cianobacterias unicelulares, relativamente importantes, en la región
de Cabo Verde (Goebel et al., 2010), la plataforma este de Estados Unidos entre
36º-39ºN (Mulholland et al., 2012) o, incluso, en el canal de Mancha (Rees et
al., 2009), lo que ilustra la necesidad de ampliar las zonas de estudio de este
proceso. Estas medidas de fijación de N2 describen una tendencia longitudinal
creciente hacia el oeste en el hemisferio norte (Montoya et al., 2007), que
parece confirmarse con los datos del δ15N en distintas fracciones de zooplancton
(Montoya et al., 2002; Landrum et al., 2011). Sin embargo, en los patrones
40
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
latitudinales existen discrepancias claras entre medidas directas y estimaciones.
Las medidas experimentales indican la existencia de un máximo de diazotrofía
en la zona comprendida entre 0º-15ºN (Moore et al., 2009), que es confirmado
sólo por el análisis de δ15N de partículas en suspensión de Mino et al. (2002). La
mayoría de estudios posteriores de δ15N sugieren que la zona de máxima
fijación estaría más al norte, en una región comprendida aproximadamente entre
15º y 30ºN (Mahaffey et al., 2003; Mahaffey et al., 2004; Reynolds et al., 2007).
En esta región (15º-25ºN), también se han detectado gradientes positivos no
conservativos de N* que sugieren que la fijación de N2 es un proceso relevante
de suministro de nitrógeno (Gruber y Sarmiento, 1997; Hansell et al., 2004).
1.7. HIPÓTESIS Y OBJETIVOS
La presente tesis aborda el estudio de la fijación de nitrógeno y los diazótrofos,
en particular los representantes del género Trichodesmium, mediante una doble
aproximación ecológica y biogeoquímica. Se pretende, por un lado, determinar
qué factores regulan los patrones de distribución observados a gran escala y, por
otro, el impacto relativo de los diazótrofos en la circulación de nitrógeno en la
capa superficial del Atlántico tropical y subtropical. Las hipótesis particulares
de las que parte este estudio son las siguientes.
1 − La distribución de Trichodesmium depende tanto de la disponibilidad
de hierro o fósforo como de la profundidad de la capa de mezcla.
Los aportes atmosféricos de hierro son más intensos en el norte,
mientras que la disponibilidad de fósforo aumenta hacia el sur. Por
ello esperamos un cambio en el nutriente limitante con la latitud;
así, el fósforo sería más limitante en el hemisferio norte y el hierro
en el hemisferio sur.
2 − Otros grupos de cianobacterias contribuyen de manera significativa a
la fijación de N2, por lo que este proceso no tiene por qué
restringirse sólo a las áreas de distribución de Trichodesmium.
41
1. INTRODUCCIÓN
3 − La fijación de N2 es un proceso importante de entrada de nitrógeno
nuevo en la capa fótica de las regiones tropicales y subtropicales
del océano Atlántico.
4 − Como consecuencia de la hipótesis anterior, la fijación de nitrógeno
contribuye de manera relevante al suministro de nitrógeno de
niveles tróficos superiores en las regiones tropicales y subtropicales
del océano Atlántico.
Los objetivos específicos planteados para dar respuesta a estas hipótesis son:
1.
Determinar la distribución zonal, en un gradiente este-oeste, de la
abundancia de Trichodesmium y la fijación de nitrógeno de la
comunidad diazótrofa en el borde oriental del giro subtropical del
Atlántico norte.
2.
Determinar la distribución meridional, a escala de cuenca, de la
abundancia de Trichodesmium y la fijación de nitrógeno de la
comunidad en el océano Atlántico tropical y subtropical.
42
3.
Relacionar las distribuciones de Trichodesmium y de la fijación de
nitrógeno con los posibles factores de control, tales como:
profundidad de la capa de mezcla, temperatura y disponibilidad de
hierro y/o fósforo.
4.
Establecer la importancia relativa de la diazotrofía en el suministro
de nitrógeno hacia la capa eufótica a escala de cuenca en dos
épocas contrastadas.
5.
Determinar la contribución de la diazotrofía al suministro de
nitrógeno de los consumidores en niveles tróficos superiores:
micro- y mesozooplancton.
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
1.8. ESTRUCTURA DE LA TESIS
Los datos de la presente tesis se recogieron durante las dos campañas del
proyecto “TRichodesmium spp. Y fijación de NItrógeno en el Atlántico
TROPical” (TRYNITROP) en el océano Atlántico, a bordo del B/O Hepérides,
del 17 noviembre al 8 de diciembre de 2007 y del 13 de abril al 2 de mayo de
2008. En ambas campañas se siguieron dos transectos diferenciados: uno zonal
en el Atlántico norte, para estudiar la variabilidad este-oeste, y uno meridional a
lo largo del Atlántico tropical y subtropical, para estudiar la variabilidad nortesur.
Los muestreos principales se efectuaron cada 24 horas, en las horas previas al
amanecer. Durante la estación diaria se tomaron la mayoría de las medidas para
la caracterización de la capa superficial del océano (0-300m). La distancia
media entre estaciones fue de unos 400 km. En 2007 se hicieron un total de 22
estaciones, mientras en 2008 se llegó a 20 estaciones. Las variables medidas en
cada estación diaria incluyeron: temperatura, salinidad, concentración de
nutrientes inorgánicos, clorofila a total, fijación de nitrógeno de la comunidad
de diazótrofos, abundancia de Trichodesmium en la columna de agua y
abundancia natural de isótopos en partículas en suspensión y en pescas de
plancton en dos clases de tamaño (40-200µm y >200µm). Para la
caracterización de la abundancia superficial de Trichodesmium se tomaron
muestras con más frecuencia, cada 3-8 horas, aprovechando el suministro de
agua en continuo del barco. Así, la resolución espacial de esta variable aumentó
notablemente, al obtenerse medidas separadas 55-70 km a lo largo de los
transectos. También se han empleado bases de datos satélite disponibles on-line
para estimar la concentración de polvo en la atmósfera en cada estación diaria.
El análisis de los datos se divide en tres capítulos. El estudio de la variabilidad
en la abundancia de Trichodesmium y de la fijación de nitrógeno se presenta
dividido según la variabilidad espacial estudiada: zonal o meridional. Por otro
lado, la abundancia natural de isótopos de nitrógeno se analiza en un único
capítulo.
43
1. INTRODUCCIÓN
El primer capítulo analiza la variabilidad zonal de las medidas directas de
abundancias de Trichodesmium y fijación de nitrógeno a lo largo de un
gradiente este-oeste en el Atlántico norte y los posibles factores de control que
explicarían las distribuciones observadas en dos épocas contrastadas.
El segundo capítulo aborda el estudio de la variabilidad meridional en la
abundancia de Trichodesmium y la fijación de nitrógeno. Intentaremos
determinar cuáles son los factores de control que explican los patrones a escala
de cuenca, que se repiten de manera consistente en diferentes épocas del año,
además de la relevancia biogeoquímica de la fijación de nitrógeno en el océano
Atlántico.
En el tercer capítulo estudiamos el posible efecto de la fijación de nitrógeno en
el balance de isótopos de nitrógeno de las partículas en suspensión, usadas
como un indicador de la dinámica en fitoplancton, y su transferencia a niveles
tróficos superiores. Además, se comparan los patrones inferidos a través del
estudio de isótopos con los observados en los dos capítulos anteriores.
44
Community N2 fixation and Trichodesmium
spp. abundance along longitudinal gradients
in the eastern subtropical North Atlantic
ABSTRACT
We have determined planktonic community N2 fixation, Trichodesmium
abundance, the concentration and vertical diffusive flux of phosphate, and
satellite-derived estimates of atmospheric concentration of dust along two
longitudinal transects in the eastern subtropical North Atlantic during
November 2007 and April-May 2008. Trichodesmium abundance was
particularly low (< 3 trichome l−1) during the spring 2008 cruise, when lower
sea surface temperatures were recorded and vertical stratification was less
marked. However, community N2 fixation was always measurable, albeit low
compared with other regions of the tropical Atlantic. The average vertically
integrated N2 fixation rate was 1.20±0.48µmol N m−2 d−1 in autumn 2007 and
8.31±3.31 µmol N m−2 d−1 in spring 2008. The comparison of these rates of
diazotrophy with the observed Trichodesmium abundances suggests that other,
presumably unicellular, diazotrophs must have contributed significantly to
community N2 fixation, at least during the spring 2008 cruise. Satellite data of
atmospheric dust concentration suggested similar rates of atmospheric
deposition during the two surveys. In contrast, vertical diffusive fluxes of
phosphate were 5-fold higher in spring than in autumn (14.2±12.1 µmol P m−2
d−1 and 2.8±2.6 µmol P m−2 d−1, respectively), which may have stimulated N2
fixation. These findings agree with the growing view that N2 fixation is a more
widespread process that the sole distribution of Trichodesmium may suggest.
Our data also suggest a role for phosphorus supply in controlling the local
variability of diazotrophic activity in a region subject to relatively high
atmospheric inputs of iron.
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
2.1. INTRODUCTION
Nitrogen is the primary limiting nutrient for productivity in the world open
ocean and biological di-nitrogen (N2) fixation represents an important supply of
new nitrogen to the euphotic layer in tropical and subtropical regions (Karl et
al., 2002). N2 fixation can be more effective in sustaining net biological CO2
drawdown than the vertical flux of nitrate, since the latter is also coupled with
an upward flux of CO2 from deeper waters (Michaels et al., 2001). In the
oceans, N2 fixation is carried out by cyanobacteria and, within this group, the
most studied species belong to the genus Trichodesmium (Capone et al., 1997;
Galloway et al., 2004). Their ability to form large blooms, widespread
distribution and high diazotrophic activity confer them a relevant role in the
global nitrogen cycle (Capone, 2001; Mahaffey et al., 2005). Trichodesmium
has been estimated to account for the fixation of 1.6 × 1012 mol N yr−1 in the
tropical Atlantic Ocean (Capone et al., 2005). However, recent studies point out
that other organisms, mainly unicellular groups, may also be relevant (Zehr et
al., 2001; Montoya et al., 2004; Moisander et al., 2010). Some of these
diazotrophic unicells distribute more uniformly in the water column (Langlois
et al., 2008) and their temperature optima for nitrogen fixation seem to be lower
than that of Trichodesmium (Langlois et al., 2005; Stal, 2009). Measured rates
of N2 fixation attributable to unicellular fixers in those regions where they
dominate the diazotrophic community are similar to those of regions with
moderate or low abundance of Trichodesmium (Montoya et al., 2004; Montoya
et al., 2007).
Relatively few studies have addressed the distribution and abundance of
diazotrophs as well as their rates of N2 fixation over large spatial scales (Moore
et al., 2009; Goebel et al., 2010; Sohm et al., 2011). This fact makes it difficult
to define the physical, chemical and/or biological constraints that control
diazotrophs distribution and activity and, therefore, hinders our understanding
of these organisms and their impact in the nitrogen cycle. Predictive models are
becoming useful tools to establish large scale distributional patterns (Hood et
al., 2004; Monteiro et al., 2010), but an extensive set of observations is still
needed to validate these models.
49
2. ZONAL VARIABILITY
The available studies suggest a westward increase in the abundance and N2
fixation activity of Trichodesmium in the subtropical North Atlantic (Carpenter
et al., 2004; Montoya et al., 2007; Goebel et al. 2010). Longitudinal changes in
temperature, water column stability, upward diffusive fluxes of nutrients, and
atmospheric deposition of dust confer to the subtropical eastern North Atlantic a
high interest to gain insight into the factors affecting the distribution and
activity of diazotrophs. This zonal variability has been scarcely studied in the
eastern North Atlantic, in contrast to the thoroughly characterized western
North Atlantic. To our knowledge, only the works of McCarthy and Carpenter
(1979) and Benavides et al. (2011) provide a coupled study of the longitudinal
variability of nitrogen fixation and Trichodesmium in this area of the ocean,
complemented with González Taboada et al. (2010) which gives a description
of the variability of Trichodesmium in the water column.
The present work focuses on the eastern subtropical North Atlantic, starting
from the hypothesis that longitudinal gradients in potential control constraints
(i.e., temperature, water column stratification, and nutrient availability) can
determine Trichodesmium abundance and distribution, as well as their
importance for community N2 fixation relative to that of unicellular fixers. Our
main goal is to study the zonal variability in those controls during two
contrasting seasons in the eastern subtropical North Atlantic and determine their
possible role in controlling N2 fixation in this region.
The data presented in this chapter have been published in ICES Journal of
Marine Science. Citation: Fernández A, Graña R, Mouriño-Carballido B, Bode
A, Varela M, Domínguez-Yanes JF, Escánez J, de Armas D, Marañón E (2013)
Community N2 fixation and Trichodesmium spp. abundance along longitudinal
gradients in the eastern subtropical North Atlantic. ICES Journal of Marine
Science 70: 223–231.
50
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
2.2. MATERIAL AND METHODS
2.2.1. Sampling, hydrography and nutrients
Sampling took place during 17-22 November, 2007 and 29 April-2 May, 2008
on board BIO ‘Hespérides’ in the eastern North Atlantic Ocean (Fig. 2.1), as
part of the TRYNITROP (Trichodesmium and nitrogen fixation in the Atlantic
Ocean) cruises. In both seasons, the ship’s track followed a longitudinal
transect, along 26ºN from 17º to 38ºW in 2007 and along 29ºN from 15º to
29ºW in 2008, comprising a total of 10 stations separated every ca. 400 km.
Water sampling was carried out before dawn using 12-l Niskin bottles in a
rosette which was cast to 300m depth. Vertical distribution of temperature and
salinity was measured by a SBE 911plus CTD attached to the rosette. Samples
to determine the vertical variability in nutrient concentration, chlorophyll a (chla) concentration, particulate primary production and community 15N2 fixation
were taken at each station.
2007
2008
Figure 2.1. Map showing the stations of autumn 2007 (white circles) and
spring 2008 (grey triangles) longitudinal cruises, which took place during
17-22 November, 2007 and 29 April-2 May, 2008.
Samples for inorganic phosphate from 10-14 depths (0-300m) were stored
frozen at −20ºC until analysed at the on-shore laboratory, following standard
colorimetric methods (Grasshof, 1976). The detection limit for the analysis of
51
2. ZONAL VARIABILITY
phosphate concentration was 0.02 µmol l−1. The concentrations of nitrate, nitrite
and ammonium were determined on board on fresh samples using a Technicon
segmented-flow auto-analyser and a modified colorimetric protocol which
allows a detection limit of 2 nmol l-1 (Raimbault et al., 1990; Kerouel and
Aminot, 1997).
During the spring 2008 cruise, measurements of microstructure velocity shear
were conducted down to 200m using a microstructure profiler (Prandke and
Stips, 1998) as described in Mouriño-Carballido et al. (2011). In this previous
study the authors estimated the vertical diffusive fluxes of nitrate to the euphotic
layer using the data retrieved by the microstructure profiler. Here, we use these
data to calculate the vertical fluxes of phosphate into the euphotic layer as the
product of the estimated diffusion coefficients (kz) and the gradients of
phosphate concentration, computed across 10m depth steps by linear
interpolation. Vertical diffusivity (kz) was estimated as in Osborn (1980):
kz = e
ε
N2
Where e is a mixing efficiency (e = 0.2), ε is the dissipation rate of turbulent
kinetic energy and N is the Brunt-Väisälä frequency averaged over depth
intervals of 10m length for each station. Along the longitudinal section in spring
2008, the values of the measured dissipation rate of turbulent kinetic energy
showed small variability between stations (−8.5 to −7.5 m2 s−3). Thus, we used
the averaged vertical profile of ε values measured along 15º-25ºW in 2008 to
compute the vertical diffusivity of phosphate both in autumn 2007 and spring
2008 cruises.
2.2.2. Satellite-derived estimates of dust concentration
We used data available from the Giovanni online data system, developed and
maintained by the NASA Goddard Earth Sciences (GES) Data and Information
52
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
Services Center (DISC). In particular, we used Aqua-MODIS Aerosol Optical
Depth at 550nm and Aerosol Small Mode Fraction retrieved from a grid of 1º
resolution and centred at the closest location of each station. These data, in
combination with the wind speed modulus derived from AVISO-LAS
(http://las.aviso.oceanobs.com/las/getUI.do) and the equations of Kaufman et al.
(2005), were used to estimate the 15-day average atmospheric dust column
concentration (g m−2) at each station.
2.2.3. Chlorophyll a
For the measurement of chl-a concentration, 6-7 depths were chosen using the
fluorescence profile provided by the CTD in each station. 250-ml samples from
each depth were filtered, using low vacuum pressure, through 0.2 μm pore-size
polycarbonate filters. Extraction was made in 90% acetone overnight and
fluorescence was measured afterwards on board with a Turner Designs 700
fluorometer, previously calibrated with pure chlorophyll a (Fluka).
2.2.4. Trichodesmium abundance
The ship’s non-toxic water supply was used to determine the surface abundance
of Trichodesmium trichomes. Given that the ship stopped for work station only
once every day, the distance between consecutive stations was > 400 km.
However, the use of the continuous water supply allowed us to obtain samples
for Trichodesmium abundance at intervals of 55-70 km, thus highly improving
the spatial resolution of our measurements. Water was collected from ca. 5m
depth by a Teflon pump and carried to the laboratories through epoxide free
silicone pipes. At each sampling point, from 60 to 115 litres of seawater were
filtered through a 40-μm nylon mesh (15cm in diameter). Particles were
transferred by gentle rinsing of the mesh with filtered seawater (0.22µm) to a
100-ml glass bottle, preserved in Lugol’s solution and kept in the darkness until
counted. In order to evaluate the cellular integrity of the trichomes, samples
collected both with the underway water supply and with Niskin bottles were
regularly examined under the optical microscope. There were no differences in
53
2. ZONAL VARIABILITY
shape and length between bottle and non-toxic water supply samples. Besides,
no broken or damaged filaments were found in any of the samples. These
observations suggested that our sampling method resulted in reliable estimates
of Trichodesmium filament abundance. This was later confirmed when we
compared our results with those reported by other studies in the same region.
For the determination of the mean abundance of Trichodesmium in the euphotic
layer, samples were collected by vertical tows of a 40-µm net of 30cm in
diameter through the upper 200m of the water column at each pre-dawn station.
A flow meter was used to estimate the sampled volume. Then, samples were
also transferred to 100-ml glass bottles and preserved in the same way as
surface samples. Trichomes were counted under a Nikon Diaphot TMD
microscope following the Utermöhl technique (Utermöhl, 1958).
2.2.5. Dinitrogen (N2) fixation
N2 fixation of the whole planktonic community was estimated following the
N2 technique of Montoya et al. (1996), as modified by Rees et al. (2009). At
each station, 3 depths were sampled: surface (5m), intermediate (30-80m) and
the deep chlorophyll maximum, DCM (50-150m). An initial 2-l sample for the
determination of 15N levels at time zero was taken from each depth and
immediately filtered through a 25-mm diameter GF/F filter (Whatman). For the
measurement of 15N fixation, triplicate 2-l, acid-cleaned (10% diluted HCl),
clear polycarbonate bottles (Nalgene) were filled from each depth, directly from
the CTD-rosette. After removing all air bubbles, 2 ml of 15N2 (98 atom%,
SerCon) were injected to each bottle. The incubation was carried out on-deck in
a system of re-circulating water simulating both in situ photosynthetic active
radiation (PAR) levels, using a combination of blue and neutral density screens
(061 Mist blue and 210 neutral density Lee filters, respectively), and in situ
temperature, within a range of 2ºC, using running surface water for the samples
from the upper mixed layer, and a system of re-circulating water connected to a
refrigerator for the samples collected near the base of the euphotic layer. After
24 hours, incubation was terminated by filtration of the entire sample through a
15
54
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
25-mm GF/F filter (Whatman). Afterwards all filters were dried at 40ºC during
24h and then stored until pelletization in tin capsules. Measurement of
particulate organic nitrogen and 15N atom% was carried out with an elemental
analyzer combined with a continuous-flow stable isotope mass-spectrometer
(FlashEA112 + Deltaplus, ThermoFinnigan) and using an acetanilide standard
as reference. The equations of Weiss (1970) and Montoya et al. (1996) were
used to calculate the initial N2 concentration (assuming equilibrium with
atmosphere) and N2 fixation rates, respectively. The limit of detection for our
rates was also estimated following the recommendations of Montoya et al.
(1996). Using the time of incubation (1 day), the limit of detection of the
analyser (0.20 µg N) and assuming that 4‰ is the minimum acceptable change
in δ15N of particulate organic nitrogen during the incubation, we found that the
limit of detection was 0.001 µmol N m−3 d−1.
2.3. RESULTS
2.3.1. Hydrography, nutrients and atmospheric dust concentration
The hydrographic setting was markedly different in each cruise. In autumn
2007, upper layer temperatures were higher, reaching surface values >24ºC
during most of the transect (Fig. 2.2a). This translated into a strong vertical
stratification, as indicated by the vertical gradient in density between 5 and
200m (Table 2.1), and the Brunt-Väisälä frequency vertical distribution in the
euphotic layer (Fig. 2.2c). In contrast, during spring 2008, surface waters were
cooler (<20ºC) (Fig. 2.2b) and vertical stratification was weaker (Table 2.1, Fig.
2.2d). Besides, during this last cruise the rise of the isotherms towards the East
was more marked, reflecting a stronger influence of the North African
upwelling. In particular, the 16ºC isotherm rose from 290m in the westernmost
station to 220m in the easternmost. This influence was also evident from the
eastward rise of the nitracline depth (Table 2.1).
Similar values of phosphate concentration in the euphotic layer were measured
in both cruises (Fig. 2.3a, b). Mean concentrations of phosphate in the euphotic
layer ranged from 0.02 to 0.04 µM and no apparent zonal trend was found in
55
2. ZONAL VARIABILITY
either cruise (Table 2.1). However, nitrate concentrations found in the euphotic
layer were slightly higher in autumn 2007 than in spring 2008 (Fig. 2.3c, d;
Table 2.1). Also, no apparent trend was seen in the longitudinal distribution of
mean nitrate in the euphotic layer during our surveys. By contrast,
concentrations of both nutrients below the euphotic layer were higher and
depicted a stronger gradient with depth in spring 2008.
0
0
50
50
100
100
150
150
200
200
250
250
300
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-30
-25
-20
Depth (m)
Depth (m)
a) 2007 Temperature (ºC)
300
-15
Longitude
Longitude
0
0
50
50
100
100
150
150
200
200
250
250
300
-40
-35
-30
-25
Longitude
-20
-15
-30
-25
-20
2.0E-004
Depth (m)
Depth (m)
c) 2007 Brunt-Väisälä frequency (s-2)
300
-15
1.5E-004
1.0E-004
5.0E-005
0.0E+000
Longitude
Figure 2.2. Longitudinal and vertical distribution of temperature (ºC) and
Brunt-Väisälä frequency (s−2) during the autumn 2007 (left panels) and
spring 2008 (right panels) surveys. Dashed lines represent the depth of
the base of the euphotic layer (m).
The estimated vertical diffusive fluxes of phosphate were markedly higher in
2008 (Fig. 2.3e, f). The mean diffusive phosphate flux in a 50m layer centred in
the depth of the base of the euphotic layer was 5-fold higher in the spring 2008
cruise than in the autumn 2007 cruise (14.2±12.1 µmol P m−2 d−1 and 2.8±2.6
µmol P m−2 d−1, respectively).
56
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
0
0
50
50
100
100
150
150
200
200
250
250
300
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-30
Longitude
-25
-20
Depth (m)
Depth (m)
b) 2008 Phosphate (µM)
300
-15
Longitude
0
0
50
50
100
100
150
150
200
200
250
250
300
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-30
Longitude
-25
-20
Depth (m)
Depth (m)
c) 2007 Nitrate (nM)
300
-15
Longitude
0
0
50
50
100
100
150
150
200
200
250
250
300
-40
-35
-30
-25
Longitude
-20
-15
-30
-25
-20
150
Depth (m)
Depth (m)
e) 2007 Phosphate flux (µmol P m -2 d-1)
300
-15
120
90
60
30
0
Longitude
Figure 2.3. Longitudinal and vertical distribution of phosphate (µM),
nitrate (nM) and vertical diffusive fluxes of phosphate (µmol P m−2 d−1)
computed across 10m depth steps during autumn 2007 (left panels) and
spring 2008 (right panels) cruises. Dashed lines represent the depth of the
base of the euphotic zone (m).
The average satellite-derived dust concentration in the atmosphere during both
cruises increased to the East when approaching the coast of Africa and the
57
2. ZONAL VARIABILITY
Saharan desert. The estimated concentrations ranged between 0.13 and 0.80 g
m−2 (Table 2.1). However, these values were relatively low in comparison with
levels found during dust storm events.
Table 2.1. Physical, chemical and biological variables measured at each station during
autumn 2007 and spring 2008 cruises on board B/O Hespérides in the eastern North
Atlantic along 26ºN and 29ºN, respectively.
Date
Long
σt grad a
x10−3
(kg m 4)
Nitrac.
depth b
(m)
Phosphoc.
depth c
(m)
NO3 d
(nM)
PO4 d
(µM)
Atm.
dust
(g m−2)
Chl-a e
mg m−2
Surface
Tricho
(tric l-1)
−
17/11/07
−17.49
6.16
109
150
84
0.04
0.61
26.9
0.5
18/11/07
−21.38
6.42
117
130
104
0.02
0.80
28.3
0.5
19/11/07
−25.73
7.18
86
150
118
0.02
0.68
29.1
0.4
20/11/07
−29.83
6.35
116
200
102
0.02
0.22
22.6
2.6
21/11/07
−34.12
5.32
99
150
61
0.02
0.13
23.8
7.4
22/11/07
−38.26
7.40
96
150
63
0.03
0.23
23.6
6.9
02/05/08
−15.45
1.89
100
100
57
0.03
0.70
23.3
1.6
01/05/08
−19.87
2.10
136
180
43
0.04
0.70
19.2
1.6
30/04/08
−24.41
2.25
154
180
60
0.03
0.37
21.3
0.6
29/04/08
−28.94
2.65
230
180
28
0.02
0.27
23.2
1.1
a
σt gradient is the density gradient between 5 to 200 m.
Nitracline depth was estimated by interpolation and defined as the depth in which the concentration of nitrate
reached 500 nM.
c
Phosphocline depth was defined as the depth in which the concentration changed an order of magnitude from
0.0x to 0.x.
d
NO3 and PO4 represent the mean concentration of nitrate and phosphate respectively in the euphotic zone.
e
Chl-a is the vertically integrated total chlorophyll a from surface to the DCM depth.
b
2.3.2. Chlorophyll a
A similar distribution of chlorophyll a (chl-a) concentration was found in both
cruises (Fig. 2.4). Chl-a concentration was low in the upper mixed layer (<0.3
mg m−3) and a distinct deep chlorophyll maximum (DCM) was present at 100120m. The vertically integrated chl-a from surface down to the DCM depth
58
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
ranged from 19 to 29 mg m−2 and showed little difference between cruises
(25.7±0.3 mg m−2 in 2007 vs. 21.9±0.4 mg m−2 in 2008).
a) 2007 Chlorophyll a (mg m -3)
Figure 2.4. Longitudinal and vertical distribution of total chlorophyll a
concentration (mg m−3) in autumn 2007 (left panel) and spring 2008
(right panel) cruises. Crosses represent the sampled depths at each station.
2.3.3. Trichodesmium abundance and community N2 fixation
Only free trichomes were found in both transects. Less than 10 trichomes l−1
were measured, both in surface and euphotic layer samples, throughout the two
transects with the exception of a slight increase at the surface to the west of
34°W during the 2007 survey (Fig. 2.5a, b). Average surface abundances of
Trichodesmium were 6.6±13.5 and 0.8±1.0 trichomes l−1 in the autumn 2007
and spring 2008 surveys, respectively.
During 2007, the rates of surface community N2 fixation were very low but
always above the limit of detection (Fig. 2.5c). Measured rates in 2008 were up
to 10-fold higher (Fig. 2.5d) although always below 0.3 µmol N m−3 d−1.
No clear longitudinal trend was detected in surface diazotrophs activity
throughout the transects (Fig. 2.5c, d). However, when considering N2 fixation
rates in the water column down to the DCM, a clear eastward trend in rates at
intermediate depth and DCM was present in spring 2008 (Fig. 2.6a), with an
increasing contribution of intermediate depth communities to the overall
activity in the euphotic layer. Besides, in the easternmost station of this cruise
59
2. ZONAL VARIABILITY
(15.45ºW), the rates measured at 50 and 90m clearly exceeded that of surface
waters.
100
100
10
10
1
1
0.1
0.1
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-40
-35
Longitude
-30
-25
-20
-15
-10
Longitude
c) 2007 Surface nitrogen fixation.
d) 2008 Surface nitrogen fixation.
1
Surface N2 fixation
(μmol N m-3 d-1)
Trichodesmium abundances
(trichomes l-1)
b) 2008 Trichodesmium abundance.
1
0.1
0.1
0.01
0.01
0.001
Surface N2 fixation
(µmol N m-3 d-1)
Trichodesmium abundances
(trichomes l-1)
a) 2007 Trichodesmium abundance.
0.001
-40
-35
-30
-25
-20
Longitude
-15
-10
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
Longitude
Figure 2.5. Longitudinal distribution of Trichodesmium abundance
(trichomes l−1) and mean surface community N2 fixation (µmol N m−3
d−1) during autumn 2007 (left panels, white symbols) and spring 2008
(right panels, grey symbols). In the upper panels, crosses represent the
abundance of Trichodesmium as estimated from the net tows (0-200m)
and circles represent surface (ca. 5m depth) abundance. Bars in the N2
fixation plots represent the standard deviation of the mean (n=3).
The vertically integrated diazotrophic activity measured during autumn 2007
was always low (< 2.3 µmol N m−2 d−1), with no apparent longitudinal trend
along the transect (Fig 2.6b). The average areal rate in this cruise was 1.2±0.5
µmol N m−2 d−1. In contrast, spring 2008 areal nitrogen fixation depicted a clear
increasing trend towards the East (Fig. 2.6b) reaching a maximum of 20 µmol N
m−2 d−1 at the easternmost station, where high concentrations of atmospheric
60
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
dust were also derived from satellite data (Table 2.1.). The average, vertically
integrated N2 fixation rate in this cruise was 8.3±3.3 µmol N m−2 d−1, a value 7fold higher than that of autumn 2007.
b) Vertically integrated N2 fixation
1
25
0.1
20
15
0.01
10
0.001
5
0.0001
0
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
Longitude
-40
-35
-30
-25
-20
-15
N2 fixation (µmol N m-2 d-1)
N2 fixation (µmol N m-3 d-1)
a) Volumetric N2 fixation
-10
Longitude
Surface
Intermediate
DCM
Autumn 2007
Spring 2008
Figure 2.6. Longitudinal distribution of volumetric N2 fixation (µmol N
m−3 d−1) at each depth sampled (a) and vertically integrated N2 fixation
(µmol N m−2 d−1) at each station (b) in autumn 2007 (white symbols) and
spring 2008 (grey symbols) cruises. Bars in the vertically integrated N2
fixation plot represent the standard deviation of the mean (n=3).
2.4. DISCUSSION
2.4.1. Trichodesmium distribution
The zonal distribution of Trichodesmium in the North Atlantic Ocean has been
reported to be asymmetric with higher abundances and more frequent bloom
occurrence in the western side (Carpenter et al., 2004; Montoya et al., 2007).
Our results agree with these findings, as Trichodesmium were almost absent in
surface waters during our cruises in the eastern North Atlantic in two
contrasting seasons and only a moderate westward increase of Trichodesmium
was found in autumn 2007 cruise. However, the environmental control factors
involved in this zonal distribution remain unclear (Montoya et al., 2007).
61
2. ZONAL VARIABILITY
Temperature is an important constraint for Trichodesmium distribution (Karl et
al., 2002). Studies with cultures have shown that it grows in a range between
20ºC and 34ºC but the optimum for N2 fixation and growth lies between 24ºC
and 30ºC (Breitbarth et al., 2007). In addition, Stal (2009) suggested that at
temperatures below 20ºC non-heterocystous diazotrophic cyanobacteria such as
Trichodesmium cannot maintain the local anoxic conditions required by
nitrogenase to remain active and therefore they tend to be excluded from waters
below that temperature. Therefore, temperature would explain the near absence
of trichomes in the water column during the spring 2008 cruise, when
temperatures below 20º-21ºC were recorded. Other physical factors that may
favour Trichodesmium include the presence of a shallow upper mixed layer and
a high stability of the water column (LaRoche and Breitbarth, 2005). In autumn
2007, the upper mixed layer was relatively shallow, with the beginning of the
thermocline located at ca. 75m (Fig. 2.2a), and the water column was more
stable than in spring 2008, as indicated by the higher values of both the gradient
of σt and the Brunt-Väisälä frequency (Table 2.1, Fig. 2.2c). Thus, the
combination of all these factors together with the westward increasing trend in
water temperature would explain the higher Trichodesmium abundances
observed during autumn 2007.
2.4.2. Nitrogen fixation
In contrast to the intensively studied and thoroughly characterised, in terms of
diazotrophy, western North Atlantic, available data on the longitudinal
variability of N2 fixation rates in the subtropical eastern North Atlantic are still
scarce. In our area of study, McCarthy and Carpenter (1979) investigated the
longitudinal variability in N2 fixation by Trichodesmium colonies collected with
nets in surface waters during May-June 1975. Their measurements were done
by the acetylene reduction assay in 2-h incubations at midday. Thus, in order to
compare the results, we transformed these rates using their measured
abundances of cells and assuming an average of 150 cells per trichome and 10 h
per day of N2 fixation by Trichodesmium (Mulholland et al., 2006). In addition,
the work of Benavides et al. (2011) provide an evaluation of community
62
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
diazotrophic activity in surface waters from results of both the acetylene
reduction assay and the 15N2 technique and also the activity due only to
Trichodesmium in the euphotic layer as measured by the acetylene reduction
assay. However, it is important to remember when comparing all these
measurements that the acetylene reduction assay is an indicator of gross
nitrogen fixation whereas the 15N2 technique is a measure of net nitrogen
fixation (Montoya et al., 1996). The gross vertically integrated activities
measured by McCarthy and Carpenter (1979) were always below 2 µmol N m−2
d−1, whereas Benavides et al. (2011) Trichodesmium gross nitrogen fixation
rates were even lower (< 0.1 µmol N m−2 d−1), albeit similar to our rates of
autumn 2007, when the water column temperature was more suitable for
Trichodesmium. Even though the abundances of this cyanobacterium in these
previous two studies and our work were very low (< 10 trichomes l−1), it seems
that Trichodesmium can sustain modest but significant rates of N2 fixation in
this region of the North Atlantic Ocean.
No statistical correlation was found between the surface distribution of
Trichodesmium and the measured N2 fixation at 5m. With the purpose of
assessing if Trichodesmium could sustain the measured surface community N2
fixation in our two cruises, we used the large dataset of in situ measurements
collected by Mulholland et al. (2006) to calculate the 25th and 75th percentiles of
the distribution of N2 fixation rate per trichome (0.007 and 0.030 nmol N
trichome−1 d−1, respectively). These, in combination with our measured
Trichodesmium surface abundances, were used to estimate a likely upper and
lower limit for Trichodesmium-based N2 fixation in each station. The upper
limit would represent the maximum N2 fixation rate by Trichodesmium in
favourable conditions, whereas the lower limit would be the minimum fixation
rate expected in each station. In autumn 2007, all measured surface community
N2 fixation rates were below the corresponding upper limit, which would
suggest that Trichodesmium could account for the observed diazotrophic
activity. However, the surface rates measured in spring 2008 (0.03-0.27 µmol N
m−3 d−1) were always higher than the upper estimated limit in each station,
which ranged between 0.02-0.05 µmol N m−3 d−1. Therefore, surface community
63
2. ZONAL VARIABILITY
N2 fixation during the spring 2008 cruise was unlikely to be fully sustained by
Trichodesmium. The same pattern is depicted when applying this approach to
the comparison of the vertically integrated N2 fixation and the abundance of
Trichodesmium collected by nets (Fig. 2.5a, b) and integrated to the DCM
depth, with the single exception of the most western station in spring 2008
cruise, where, as happened in autumn 2007 surface waters, the N2 fixation in the
euphotic layer could be explained by Trichodesmium.
Lower water column temperatures observed in the 2008 survey may have
favoured the presence of unicellular diazotrophs (e.g. unicellular group A or
group B), which can occur at lower temperatures than Trichodesmium and tend
to be distributed throughout the water column rather than concentrate near the
surface (Langlois et al., 2005). Diazotrophic activity in intermediate waters in
spring 2008 was similar to that measured in surface and the maximum rate was
found at 50m in the eastern most station of this cruise. Thus, the vertical
distribution of N2 fixation rates observed in spring 2008 would be consistent
with the view that unicellular species dominated the diazotrophic activity during
this cruise. Besides, the magnitude of the highest rates in this cruise is similar to
those previously reported in other oceanic regions where unicellular diazotrophs
dominated the community (Goebel et al., 2010; Moisander et al., 2010). These
observations, together with our previous measurements in the South Atlantic
subtropical gyre (see next chapter), support the growing view that other
diazotrophs in addition to Trichodesmium are important players in the nitrogen
cycle in surface oceanic waters (Moisander et al., 2010).
Nitrogen fixation can be limited by the availability of both iron and
phosphorous (Capone, 2001; Karl et al., 2002). Recent studies suggest that iron
supply through atmospheric deposition is the key factor controlling the large
scale distribution of diazotrophy in the Atlantic Ocean (Moore et al., 2009). The
experimental addition of Saharan dust has been shown to stimulate N2 fixation
in the tropical and subtropical Atlantic (Mills et al., 2004; Marañón et al.,
2010). Our region of study is subject to high atmospheric dust deposition due to
its proximity to the Saharan desert, and shows relatively high dissolved iron
concentrations (Moore et al., 2009). In this regard, Sañudo-Wilhelmy et al.
64
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
(2001) showed that during a cruise to the central Atlantic Ocean, where
background iron concentrations were relatively high, N2 fixation by
Trichodesmium was independent of iron concentration and, instead, strongly
correlated with the phosphorus content of the colonies. We thus consider the
possibility that differences in phosphorus supply may have contributed to
explain the inter-cruise differences in N2 fixation observed during our study.
Atmospheric dust is the main source of iron to the surface ocean, but may
supply phosphorus as well (Ridame and Guieu, 2002; Mills et al., 2004). The
atmospheric concentration of dust was similar and described the same eastward
trend during the two cruises (Table 2.1). Therefore, we would expect a similar
amount of atmospheric deposition of both iron and phosphorus in autumn 2007
and spring 2008 cruises. On the other hand, phosphorus is also supplied to the
euphotic layer through vertical diffusive fluxes from below the thermocline.
The estimated vertical diffusive fluxes of phosphate in spring 2008 clearly
exceeded those found in autumn 2007; this difference may explain the higher
rates of diazotrophy observed in the former cruise. In addition, the exclusion of
Trichodesmium by cooler water temperatures would have reduced the
competition for phosphate among diazotrophs, thus allowing the small
unicellular cyanobacterial groups to actively fix N2. Whether or not phosphorus
supply plays a role in controlling the zonal variability of N2 fixation in the
North-East subtropical Atlantic will only be unequivocally ascertained with data
of the intracellular content of phosphorous in diazotrophs, so further studies are
still required.
2.4.3. Conclusions
Our study contributes to and further expands the relatively small data set of
available measurements of N2 fixation and Trichodesmium abundance in the
eastern subtropical North Atlantic. Temperature and vertical stability conditions
appeared as key factors explaining the distribution of Trichodesmium, which
showed particularly low abundances during spring 2008, when the water
column was colder and less strongly stratified. Our results indicate that N2
fixation is always measurable in the region even when Trichodesmium is
65
2. ZONAL VARIABILITY
present in very low abundances. Moreover, the comparison of measured N2
fixation rates with the concurrent Trichodesmium abundances points to the role
of other diazotrophs, particularly when sea temperatures are less warm. Finally,
the contrasting magnitude of the vertical diffusive flux of phosphate in each
cruise suggests a role for phosphorus as a controlling factor of the local
distribution of N2 fixation (Sañudo-Wilhelmy et al., 2001) in a region that
receives relatively high amounts of iron through atmospheric deposition (Moore
et al., 2009).
66
Latitudinal distribution of Trichodesmium
and N2 fixation in the Atlantic Ocean
ABSTRACT
We have determined the latitudinal distribution of Trichodesmium abundance
and community N2 fixation in the Atlantic Ocean along a meridional transect
from ca. 30º N to 30º S in November-December 2007 and April-May 2008. The
observations from both cruises were highly consistent in terms of absolute
magnitude and latitudinal distribution, showing a strong association between
Trichodesmium abundance and community N2 fixation. The highest
Trichodesmium abundances (mean = 220 trichomes l−1) and community N2
fixation rates (mean = 60 µmol m−2 d−1) occurred in the equatorial region
between 5º S-15º N. In the South Atlantic gyre, Trichodesmium abundance was
very low (ca. 1 trichome l−1) but N2 fixation was always measurable, averaging
3 and 10 µmol m−2 d−1 in 2007 and 2008, respectively. We suggest that N2
fixation in the South Atlantic was sustained by other, presumably unicellular,
diazotrophs. The comparison of these distributions with the geographical
pattern in atmospheric dust deposition points to iron supply as the main factor
determining the large scale latitudinal variability of Trichodesmium abundance
and N2 fixation in the Atlantic Ocean. We observed a marked South to North
decrease in surface phosphate concentration, which argues against a role for
phosphorus availability in controlling the large scale distribution of N2 fixation.
Scaling up from all our measurements (42 stations) results in conservative
estimates for total N2 fixation of ~6 TgN yr−1 in the North Atlantic (0-40º N)
and ~1.2 TgN yr−1 in the South Atlantic (0-40º S).
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
3.1. INTRODUCTION
Biological N2 fixation represents a major process of new nitrogen supply to the
euphotic layer in tropical and subtropical regions of the open ocean (Karl et al.,
2002; Mahaffey et al., 2005). In the Atlantic Ocean, recent studies based on
both direct measurements of N2 fixation (Capone et al., 2005) and geochemical
approaches (Gruber and Sarmiento, 1997) have resulted in basin-scale estimates
of this flux that significantly exceed previously available estimates. The global
biogeochemical significance of N2 fixation stems from the fact that, in
conjunction with denitrification, it is a critical flux in the control of the ocean’s
bioavailable nitrogen inventory. In addition, new production based on N2
fixation is more effective in atmospheric CO2 sequestration than that based on
nitrate input from deep waters, because the latter is also coupled to the upward
transport of CO2 through Redfield stoichiometry (Michaels et al., 2001).
The
non-heterocystous,
bloom-forming,
filamentous
cyanobacterium
Trichodesmium is regarded as the dominant planktonic N2 fixer (Capone et al.,
1997) and, as a result, considerable effort has been invested in determining its
distribution, abundance and metabolic activity in the sea, together with the
factors that control them. Trichodesmium is mostly restricted to tropical regions
characterised by warm (>22ºC) surface waters and strong vertical stability
(Capone et al., 1997; Tyrrell et al., 2003). Due to the very high iron quotas
characteristic of Trichodesmium (Rueter et al., 1992; Kustka et al., 2003), iron
supply has been considered as the most limiting factor for the distribution and
metabolic activity of this genus and, by extension, N2 fixation rates in the ocean
(Falkowski, 1997; Berman-Frank et al., 2001). Recently, Moore et al. (2009)
demonstrated a close association between dissolved iron concentration, in turn
related to increased atmospheric deposition of Saharan dust, and N2 fixation
rates in the Atlantic Ocean. In addition, a role for phosphorus availability in the
control of both Trichodesmium (Sañudo-Wilhelmy et al., 2001) and community
N2 fixation rates (Mills et al., 2004) has also been demonstrated.
As a result of the highly variable distribution of Trichodesmium abundance,
over both space and time, most studies have so far focused on regions which
tend to show higher abundances of this genus (Carpenter et al., 2004; Capone et
71
3. LATITUDINAL VARIABILITY
al., 2005; Mulholland et al., 2006), or have been conducted during blooms (Karl
et al., 1992; Capone et al., 1998). There have been few basin-scale surveys of
Trichodesmium abundance (Tyrrell et al., 2003; Davis and McGillicuddy, 2006)
or N2 fixation (Voss et al., 2004; Staal et al., 2007) and, to the best of our
knowledge, only two studies have reported on both Trichodesmium abundance
and community N2 fixation over large spatial scales in the open ocean (Kitajima
et al., 2009; Moore et al., 2009). Yet, basin-scale studies are essential because
they provide estimates of Trichodesmium abundance and activity that are
representative of ‘background’ conditions in the open ocean, as opposed to
those found during local events of increased abundance and/or growth. In
addition, large-scale surveys cross marked environmental gradients and
therefore are ideally suited to assess the effect of different controlling factors on
distribution patterns and N2 fixation rates.
Here we report on Trichodesmium abundance and community N2 fixation
measured along a meridional transect in the Atlantic Ocean during two
contrasting seasons. We describe the latitudinal patterns in Trichodesmium
abundance and community N2 fixation in the tropical Atlantic from ca. 30º N to
30º S and show that they are persistent in contrasting seasons. Furthermore, we
use the observed latitudinal distributions to assess the relative importance of
different environmental factors, such as dust deposition, phosphorus availability
and water column structure, in determining the large-scale variability of
Trichodesmium abundance and community N2 fixation.
The data presented in this chapter have been published in Biogeosciences.
Citation: Fernández A, Mouriño-Carballido B, Bode A, Varela M, Marañón E
(2010) Latitudinal distribution of Trichodesmium spp. and N2 fixation in the
Atlantic Ocean. Biogeosciences 7: 3167-3176.
3.2. MATERIAL AND METHODS
3.2.1. Sampling, hydrography and irradiance
Two oceanographic cruises were conducted on board BIO ‘Hespérides’ in the
Atlantic Ocean during 16 November-16 December 2007 and 8 April-6 May
72
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
2008 (Fig. 3.1), as part of the project TRYNITROP (Trichodesmium and N2
fixation in the Atlantic Ocean). The transects took place along 28º-29ºW from
26ºN to 33ºS in 2007 and from 29ºN to 31ºS in 2008. At each sampling station,
seawater samples were collected from 0-300m, just before dawn, using a rosette
equipped with 12-l Niskin bottles. The vertical distribution (0-300m) of
temperature, salinity and fluorescence was determined with a CTD SBE
911plus probe attached to the rosette.
2007
2008
Figure 3.1. Map showing the 2007 (white circles) and 2008 (grey
triangles) cruise tracks. The cruises took place during 16 November - 16
December 2007 and 8 April - 6 May 2008.
The concentrations of nitrate and phosphate were determined following
colorimetric methods (Raimbault et al., 1990; Grasshof, 1976), as described in
the previous chapter, section 2.2.1. The detection limit for the analysis of nitrate
concentration was 2 nmol l−1, whereas for phosphate was 0.02 µmol l−1.
73
3. LATITUDINAL VARIABILITY
On 16 occasions, vertical profiles of photosynthetically active irradiance (PAR)
were obtained at noon with a Satlantic OCP-100FF radiometer. The vertical
distribution of fluorescence was also determined at the same locations using the
CTD SBE911 plus probe. We found a highly significant relationship between
the depth of the 1% PAR level (Zeu) and the depth of the DCM (ZDCM):
Zeu = 9.3 + 0.98 × ZDCM
r2 = 0.87, p < 0.001, n = 16
3.2.2. Satellite inference of dust presence in the atmosphere
The average concentration of dust (g m−2) in the atmosphere in a period of 15
days prior to sampling in each station was estimated by Kaufman et al. (2005)
equations. Data were retrieved online from the AVISO-LAS server and the
Giovanni online data system of the NASA Goddard Earth Sciences Data and
Information Services Center in a grid of 1º of resolution: Aqua-MODIS Aerosol
Optical Depth at 550 nm, Aerosol Small Mode Fraction and wind speed (see
previous chapter, section 2.2.2).
3.2.3. Chlorophyll a concentration
Chlorophyll a concentration was measured of board with a Turner Designs 700
fluorometer and following the procedure described in the previous chapter,
section 2.2.3.
3.2.4. Trichodesmium abundance
The surface abundance of Trichodesmium was estimated with samples taken by
the ship’s non-toxic water supply from ca. 5m at intervals of 55-70km, as
described in the previous chapter, section 2.2.4. The mean abundance of
Trichodesmium in the euphotic layer was determined with samples taken by
74
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
vertical tows of a 40-µm net of 30 cm in diameter through the upper 200m of
the water column at each pre-dawn station (previous chapter, section 2.2.4). The
integrity of trichomes after sampling was determined comparing the shape and
length of filaments in fresh samples collected both with the underway water
supply system and with Niskin bottles at station. We did not detect the presence
of broken or damaged filaments in the samples from the continuous water
supply system, suggesting that our method resulted in reliable estimates of
Trichodesmium filament abundance. This was later confirmed when we
compared our results with those reported by other studies in the same region
(see section 3.4.1 of the discussion).
3.2.5. Dinitrogen (N2) fixation
Rates of N2 fixation by the whole planktonic community in a 24-hour
incubation period were determined in each station at the surface (5m), an
intermediate depth (30-80m) and the depth of the deep chlorophyll maximum
(DCM). We used the 15N2-uptake technique of Montoya et al. (1996) with the
modifications described in Rees et al. (2009), see previous chapter, section
2.2.5, for a detailed description of the protocol. The equations of Weiss (1970)
and Montoya et al. (1996) were used to calculate the initial N2 concentration
(assuming equilibrium with atmosphere) and N2 fixation rates, respectively. The
limit of detection, estimated following Montoya et al. (1996), was 0.001 µmol
N m−3 d−1.
3.3. RESULTS
3.3.1. Hydrography, nutrients and estimated dust presence in the atmosphere
The vertical distribution of temperature, in particular the depth of the 16ºC
isotherm, allowed us to identify the area affected by the Equatorial upwelling
(Fig. 3.2a, b). Using the location of the 16ºC isotherm above 200m as a
criterion, we divided the latitudinal transects in three different regions: North
gyre (29º-15ºN), equatorial region (15ºN-10ºS) and South gyre (10º-33ºS). The
75
3. LATITUDINAL VARIABILITY
rising of isotherms defined the equatorial upwelling in both cruises over roughly
the same latitudinal range. A seasonal change in upper mixed layer (UML)
temperatures was found: warmer UML waters occurred in the North gyre in
2007 and in the South gyre in 2008, although warm waters (>26ºC) were always
present in the equatorial region. The latitudinal distribution of salinity also
illustrated the effect of the equatorial upwelling, which was associated with
lower salinity in subsurface waters (Fig. 3.2c, d). Both subtropical gyres were
characterised by higher salinities, particularly in the upper 150m.
-30 -20 -10
0
10
20
30
Depth (m)
Latitude
c) 2007 Salinity
0
50
100
150
200
250
300
350
-30 -20 -10
0
Latitude
-30 -20 -10
0
10
20
0
50
100
150
200
250
300
350
30
20
0
50
100
150
200
250
300
350
30
Depth (m)
b) 2008 Temperature (ºC)
0
50
100
150
200
250
300
350
Latitude
10
20
30
-30 -20 -10
0
10
Depth (m)
Depth (m)
a) 2007 Temperature (ºC)
Latitude
Figure 3.2. Latitudinal and vertical distribution of temperature (a, b) and
salinity (c, d). Left-hand and right-hand plots correspond to the 2007 and
2008 cruises, respectively. Dashed lines define the limits of the three
major regions identified by the depth of 16ºC isotherm: North gyre,
equatorial region and South gyre.
The Brunt-Väisäla frequency, averaged over the upper 125m, exhibited
approximately the same distribution on each cruise (Fig. 3.3). The highest
76
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
Mean Brunt-Väisäla frequency (s-2)
values were measured in the Equatorial region, where a relatively shallow and
steep thermocline led to enhanced stability in the upper water column.
3.5e-4
2007
2008
3.0e-4
2.5e-4
2.0e-4
1.5e-4
1.0e-4
5.0e-5
0.0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Latitude
Figure 3.3. Mean Brunt-Väisäla frequency (s−2) over the upper 125m of
the water column during the 2007 (white circles) and 2008 (grey
triangles) cruises. Dashed lines define the limits of the three major
regions identified by the depth of 16ºC isotherm: North gyre, equatorial
region and South gyre.
Nitrate concentration in the UML ranged between 30-150 nM without any clear
latitudinal pattern (data not shown). In contrast, phosphate concentration
showed a consistent decreasing trend from South to North in both cruises:
values around or higher than 0.1 µM were measured in the Southern gyre,
whereas values <0.04 µM were measured in the North gyre (Fig. 3.4). As a
result, the nitrate to phosphate ratio increased markedly from South to North in
both cruises.
The 15-days average atmospheric dust concentration on each station was higher
between the Equator and 20ºN (Fig. 3.5), on both cruises. The increased dust
presence in this region was particularly marked during the 2008 cruise,
conducted in April–May.
77
Mean phosphate in the UML (μM)
3. LATITUDINAL VARIABILITY
0.20
2007
2008
0.16
0.12
0.08
0.04
0.00
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Latitude
Figure 3.4. Latitudinal distribution of mean phosphate concentration
(µM) in the upper mixed layer during the 2007 (white circles) and 2008
(grey triangles) cruises. Dashed lines define the limits of the three major
regions identified by the depth of 16ºC isotherm: North gyre, equatorial
region and South gyre.
Atmospheric dust column
concentration (g m-2)
1.8
2007
2008
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Latitude
Figure 3.5. Latitudinal distribution of 15-days averaged atmospheric dust
concentration (g m−2) derived from Aqua-MODIS satellite and produced
by the Giovanni on line data system during the 2007 (white circles) and
2008 (grey triangles) cruises. Dashed lines define the limits of the three
major regions identified by the depth of 16ºC isotherm: North gyre,
equatorial region and South gyre.
78
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
3.3.2. Chlorophyll a concentration
Surface chlorophyll a concentration was low in both transects (<0.2 mg m−3)
and its vertical distribution was characterized by a deep chlorophyll maximum
(DCM), associated with the thermocline, with concentrations above 0.3-0.4 mg
m−3 (Fig. 3.6). The DCM was shallower and more intense in the region affected
by the equatorial upwelling. The euphotic layer-integrated chlorophyll a
concentration ranged between 19-31 mg m−2 (data not shown) across the
latitudinal range and did not show any marked differences between cruises.
b) 2008 Chlorophyll a (mg m-3)
0
0
50
50
100
100
150
150
-30 -20 -10
0
10
20
30
-30 -20 -10
Latitude
0
10
20
Depth (m)
Depth (m)
a) 2007 Chlorophyll a (mg m-3)
30
Latitude
Figure 3.6. Latitudinal and vertical distribution of chlorophyll a (mg m−3)
concentration during the 2007 (a) and 2008 (b) cruises. Dashed lines
define the limits of the three major regions identified by the depth of 16ºC
isotherm: North gyre, equatorial region and South gyre.
3.3.3. Trichodesmium abundance and N2 fixation
In the surface, Trichodesmium was particularly abundant in the equatorial
region, whereas it was rare or absent in the South gyre (Fig. 3.7a, b). The region
of highest surface abundance (>100-200 trichomes l−1) extended from 15ºN to
the Equator in 2007 and from 15ºN to 10ºS in 2008. The maximum abundances
were measured near 7ºN in 2007 (1600 trichomes l−1) and near 3ºS in 2008 (800
trichomes l−1). Although there was some inter-cruise variability, the regional
differences in surface Trichodesmium were consistent (Table 3.1). Cruiseaveraged abundances in surface were ca. 220 trichomes l−1 in the equatorial
region, compared with 8-31 trichomes l−1 in the North gyre and 0.5-1 trichomes
l−1 in the South gyre.
79
3. LATITUDINAL VARIABILITY
1600
2007
2008
1400
800
1200
600
1000
800
400
600
400
200
200
0
0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
-40
-30
-20
0
10
20
30
Latitude
Latitude
c) 2007 Surface nitrogen fixation
N2 fixation (μmol N m-3 d-1)
-10
Trichodesmium (trichomes L-1)
b) 2008 Trichodesmium surface abundances
d) 2008 Surface nitrogen fixation
14
2.0
2007
2008
12
1.5
10
8
1.0
6
4
0.5
2
0
N2 fixation (μmol N m-3 d-1)
Trichodesmium (trichomes L-1)
a) 2007 Trichodesmium surface abundances
0.0
-40
-30
-20
-10
0
Latitude
10
20
30
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Latitude
Figure 3.7. Latitudinal distribution of surface N2 fixation (µmol N m−3
d−1) and Trichodesmium abundance (trichome l−1) during the 2007 (lefthand plots, circles) and 2008 (right-hand plots, triangles) cruises. Bars in
the N2 fixation plots represent the standard deviation of the mean (n=3).
Dashed lines define the limits of the three major regions identified by the
depth of 16ºC isotherm: North gyre, equatorial region and South gyre.
The latitudinal distribution of N2 fixation rates at the surface closely resembled
that of Trichodesmium abundance (Fig. 3.7c, d). These two variables were
highly correlated in our study (Pearson’s r = 0.74, p < 0.01, Table 3.2). The
highest N2 fixation rates were measured in the equatorial region. In this region,
the mean surface N2 fixation during the 2007 cruise was more than 3-fold
higher than during 2008 (2.94 vs. 0.80 µmol N m−3 d−1). Diazotrophic activity
80
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
was mostly restricted to the North Atlantic during 2007, whereas it extended all
over the equatorial region in 2008.
Table 3.1. Mean Trichodesmium surface abundance and integrated N2 fixation rate on
each region during the 2007 and 2008 cruises. Standard deviation is indicated in
brackets.
N2 fixation
(μmol N m−2 d−1)
Trichodesmium spp.
(trichomes l−1)
2007
2008
2007
2008
44 [58]
11 [13]
25 [6]
11 [4]
Equator
222 [351]
222 [174]
66 [15]
55 [21]
South Gyre
0.5 [0.5]
1 [1]
3 [1]
10 [2]
North Gyre
b) Equatorial region
c) South gyre region
0
0
0
40
40
40
80
120
Depth (m)
a) North gyre region
Depth (m)
Depth (m)
The latitudinal distribution of Trichodesmium abundance in the water column
was similar to that observed at the surface, although the abundances were
somewhat lower (Fig. 3.9). The highest abundances, also found in the equatorial
region, were in the range 100-300 trichomes l−1 in both cruises.
80
120
160
160
0.0
0.5
1.0
1.5
N2 fixation (μmol N m-3 d-1)
80
120
2007
2008
0 2 4 6 8 10 12 14
N2 fixation (μmol N m-3 d-1)
160
0.0
0.5
1.0
1.5
N2 fixation (μmol N m-3 d-1)
Figure 3.8. Vertical distribution of N2 fixation (µmol N m−3 d−1) during
the 2007 (white circles) and 2008 (grey triangles) cruises in each
latitudinal region identified by the depth of 16ºC isotherm.
81
3. LATITUDINAL VARIABILITY
a) 2007 Water column nitrogen fixation and Trichodesmium
300
Vert. integrated
N2 fixation
Trichodesmium
water column
250
250
200
200
150
150
100
100
50
50
0
Water column Trichodesmium
(trichomes l-1)
N2 fixation (μmol N m-2 d-1)
300
0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Latitude
300
300
250
250
200
200
150
150
100
100
50
50
0
Water column Trichodesmium
(trichomes l-1)
N2 fixation (μmol N m-2 d-1)
b) 2008 Water column nitrogen fixation and Trichodesmium
0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Latitude
Figure 3.9. Latitudinal distribution of vertically integrated N2 fixation
(µmol N m−2 d−1) and abundances of Trichodesmium (trichome l−1) in the
euphotic layer in the 2007 (A) and 2008 (B) cruises. Dashed lines define
the limits of the three major regions identified by the depth of 16ºC
isotherm: North gyre, equatorial region and South gyre.
N2 fixation was detectable in all stations, although not at all depths and the
highest rates were commonly measured in the upper 50m of the water column
(Fig. 3.8). The vertical distribution of N2 fixation rates in the North gyre and in
the equatorial region was characterized by a clear tendency to decrease with
depth. In the South gyre, however, N2 fixation was distributed more uniformly
over the euphotic layer. There was a strong correlation, on the one hand,
82
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
between the euphotic layer-integrated N2 fixation and surface N2 fixation
(Pearson’s r = 0.91, p < 0.01, Table 3.2), and, on the other hand, between the
euphotic layer-integrated N2 fixation and the euphotic layer abundance of
Trichodesmium (Pearson’s r = 0.77, p < 0.01, Table 3.2).
Table 3.2. Correlation coefficients (Pearson’s r) between euphotic-layer integrated N2
fixation, surface and euphotic layer Trichodesmium abundance and selected variables
computed for all the stations sampled during the 2007 and 2008 cruises.
Euphotic-layer
integrate N2 fixation
Surface
Trichodesmium
Euphotic-layer
Trichodesmium
Euphotic-layer
integrate N2 fixation
−
0.75**
0.77**
Surface N2 fixation
0.91**
0.74**
0.70**
Brunt-Väisäla
frequency (0-125m)
0.58**
0.74**
0.72**
Surface temperature
0.36*
0.45**
0.39**
15-day average
atmospheric dust
0.35*
n.s.
0.44**
*
p < 0.05; ** p < 0.01
In both cruises, the highest integrated rates (ca. 250 and 150 µmol N m−2 d−1 in
2007 and 2008, respectively) were measured at stations located within the
equatorial region (Fig. 3.9). The mean N2 fixation rate in the equatorial region
was 66 and 55 µmol N m−2 d−1 in 2007 and 2008, respectively (Table 3.1). The
North gyre, with mean rates of 25 and 11 µmol N m−2 d−1 in 2007 and 2008,
respectively, showed higher diazotrophy than the South gyre (3.4 and 9.7 µmol
N m−2 d−1). While N2 fixation south of the Equator was almost undetectable
during the 2007 cruise, substantial rates were measured in the Southern
Hemisphere in 2008.
83
3. LATITUDINAL VARIABILITY
3.3.4. Relative contribution of Trichodesmium to community N2 fixation
As in the previous chapter, we applied an indirect approach to assess whether
Trichodesmium could account for the measured surface N2 fixation rates. We
used the large dataset collected by Mulholland et al. (2006), which provides in
situ measurements of the filament-specific rate of N2 fixation by
Trichodesmium. We determined the 25th and 75th percentiles of this dataset in
order to estimate a lower and an upper limit for the filament-specific rate of N2
fixation by Trichodesmium. Multiplying these rates by the measured filament
abundances, we obtained an upper and a lower estimate for the surface rate of
N2 fixation that could be attributed to Trichodesmium, which we then compared
with the measured surface community diazotrophy rates (Fig. 3.10a,b).
We found that Trichodesmium abundance was sufficient to explain the
measured rates of N2 fixation in the North gyre and equatorial regions.
However, the measured rates in most of the Southern Hemisphere stations
clearly exceeded the maximal rates that, according to our estimates, could be
sustained by Trichodesmium. A similar trend is depicted in the comparison of
the euphotic-layer integrated N2 fixation and the abundances of Trichodesmium
in the water column (Fig. 3.10c, d). This low contribution of Trichodesmium to
the community N2 fixation is even more evident in the two stations around 20ºS
in autumn 2007 (Fig. 3.10c), where no trichomes were found in the net samples.
3.4. DISCUSSION
3.4.1. Latitudinal distribution of Trichodesmium
Our measurements, obtained with high spatial resolution in surface waters,
indicate that Trichodesmium is most abundant (>200 trichomes l−1) in the
Equatorial Atlantic region between 5ºS-15ºN, has modest abundances in the
North Atlantic subtropical gyre and is virtually absent from the South Atlantic
gyre. These patterns agree with those identified by Tyrrell et al. (2003) and
Moore et al. (2009), who reported on surface abundances obtained at longer
distance intervals, and are also suggested by the analysis of ocean colour data
by Westberry and Siegel (2006). The mean abundances we measured between
84
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
5ºS-15ºN are similar to the highest abundances reported by Moore et al. (2009)
for the same region. These authors found a close association between iron
concentration and both Trichodesmium abundance and community N2 fixation
along a transect conducted in the Atlantic Ocean in October-November 2005.
Our own observations, carried out during contrasting seasons, support this
association and suggest that the observed latitudinal patterns are persistent over
seasonal scales.
100
100
10
10
1
1
0.1
0.1
0.01
0.01
0.001
0.001
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Latitude
Latitude
c) 2007 Water column
N2 fixation (μmol N m-2 d-1)
N2 fixation (μmol N m-3 d-1)
b) 2008 Surface
d) 2008 Water column
10000
10000
1000
1000
100
100
10
10
1
1
0.1
0.1
N2 fixation (μmol N m-2 d-1)
N2 fixation (μmol N m-3 d-1)
a) 2007 Surface
0.01
0.01
-40
-30
-20
-10
0
Latitude
10
20
30
-40
-30
Trichodesmium lower limit
Trichodesmium upper limit
Measured N2 fixation
-20
-10
0
10
20
30
Latitude
Figure 3.10. Comparison of the latitudinal distribution of measured
surface N2 fixation (black crosses) with lower limit (grey triangles) and
upper limit (white diamonds) of N2 fixation due to surface
Trichodesmium spp. estimated by literature rates (a, b), and euphoticlayer integrated N2 fixation with the lower and upper limits of N2 fixation
due to net-sampled Trichodesmium (c, d). Left-hand and right-hand plots
correspond to the 2007 and 2008 cruises, respectively. Dashed lines
define the limits of the three major regions identified by the depth of 16ºC
isotherm: North gyre, equatorial region and South gyre.
85
3. LATITUDINAL VARIABILITY
Although iron concentration data are not available in the present study, the 15days average dust concentration in the atmosphere obtained during the time
period of our surveys does suggest enhanced rates of atmospheric dust
deposition between the Equator and 20ºN, where the highest Trichodesmium
abundances were found. We found a significant correlation between the
estimated atmospheric dust concentration and the abundance of Trichodesmium
in the euphotic layer (Pearson’s r = 0.44, p < 0.01, Table 3.2). The available
climatologies of dust and iron deposition in the central Atlantic show a region
of persistent, albeit varying seasonally, high deposition rates between roughly
10ºS-30ºN (Gao et al., 2001; Mahowald et al., 2005), coinciding with the region
of increased Trichodesmium abundances. Given the very high iron requirements
of Trichodesmium (Kutska et al., 2003) and the demonstrated relationship
between iron availability and Trichodesmium growth rate (Berman-Frank et al.,
2007), it is likely that atmospheric deposition of dust is the main process
controlling the distribution of this genus in the central Atlantic Ocean.
Additional factors which may have also favoured the presence of
Trichodesmium in the equatorial region include the shallowing of the upper
mixed layer and the increase in water column stability, which in our study was
reflected in the higher values of the Brunt-Väisäla frequency encountered
between 10ºS-20ºN. In fact, we found a highly significant correlation between
the Brunt-Väisäla frequency and Trichodesmium abundance in surface and in
the euphotic layer (Pearson’s r = 0.74, p < 0.01, and r = 0.72, p < 0.01,
respectively, Table 3.2). The shallowing of the upper mixed layer may result in
a reduction in the energetic expenditure involved in the vertical migrations
carried out by Trichodesmium, which allow them to take up nutrients, phosphate
in particular, from below the nutricline (Karl et al., 1992).
The latitudinal range of distribution of Trichodesmium extended further south
during the 2008 cruise, conducted in April-May, than during the 2007 cruise,
conducted in November-December. Although our data are not sufficient to
establish seasonal patterns, these differences are consistent with a role of
atmospheric deposition in determining the abundance of Trichodesmium, given
that aerosol deposition in the eastern North Atlantic is more intense and occurs
86
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
over a larger area during spring than during winter (Gao et al., 2001; Kaufman
et al., 2005). In addition, the increased stability of the water column south of the
Equator may have also contributed to extend further south the range of
distribution of Trichodesmium during the 2008 cruise.
3.4.2. Latitudinal distribution of N2 fixation
We have shown that N2 fixation rates in the central Atlantic are higher between
5ºS-15ºN during two contrasting seasons, and that Trichodesmium is likely to
account for most of the N2 fixation in this region. Our observations support the
results of Moore et al. (2009), who found increased N2 fixation in the same
latitudinal range, where higher iron concentrations were measured, and
concluded that iron rather than phosphorus supply explain the North-South
differences in diazotrophy in the Atlantic Ocean. As described before for
Trichodesmium abundance, we found a clear association between the region of
increased N2 fixation rates and the latitudinal range of enhanced atmospheric
dust presence in the eastern central Atlantic. These two variables were
significantly correlated (Pearson’s r = 0.35, p < 0.05, Table 3.2). Together, these
results strongly suggest that iron supply through atmospheric deposition is a
major determinant of planktonic N2 fixation in the Atlantic Ocean, as has also
been shown for the North Pacific (Shiozaki et al., 2009).
The role of phosphorus, which has been found to limit N2 fixation in the central
Atlantic (Sañudo-Wilhelmy et al., 2001; Mills et al. 2004) must also be
considered. During our surveys, phosphate concentrations showed a clear
decreasing trend from South to North, a recurrent pattern in the Atlantic Ocean
(Mather et al., 2008; Moore et al., 2009). The highest rates of N2 fixation thus
occurred in waters with low (<0.05 µM) phosphate levels, whereas little N2
fixation took place in the more phosphorus-rich waters of the South gyre.
Although Trichodesmium and other phytoplankton can obtain phosphorus (P)
from the pool of dissolved organic phosphorus, P availability is still very low in
the North Atlantic, as evidenced in the enhanced alkaline phosphatase activity
(APA) measured there (Mather et al., 2008). APA is well known to increase in
87
3. LATITUDINAL VARIABILITY
response to P limitation in phytoplankton. In spite of increased P limitation in
the North Atlantic, as compared with the South Atlantic, N2 fixation is higher in
the North, which indicates that the large-scale latitudinal distribution of N2
fixation in the Atlantic is not controlled by P availability. Current evidence
indicates that iron-mediated stimulation of N2 fixation in the Equatorial and
North Atlantic draws the surface phosphate pool to very low concentrations
(Mather et al., 2008; Moore et al., 2009), but nitrogen remains the proximate
limiting nutrient for primary production (Mills et al., 2004; Moore et al., 2009).
3.4.3. N2 fixation in the South Atlantic
The fact that filamentous diazotrophs such as Trichodesmium are rare in the
South Atlantic gyre (Tyrrell et al., 2003; Moore et al., 2009; our study), together
with the low or even negative values of the N* tracer observed in subsurface
waters (Gruber and Sarmiento, 1997), could lead us to expect that N2 fixation
does not take place in this region. However, we were able to detect N2 fixation
in all the stations during our cruises. The average rates measured in the South
gyre were substantial (ca. 4 and 10 µmol N m−2 d−1 in 2007 and 2008,
respectively), given the extreme oligotrophy of this region, and some peak
values were comparable to those measured in the equatorial region. Our
estimates of the rates of N2 fixation that could be sustained by the extremely
low (<1 trichome l−1) Trichodesmium abundances measured in the South gyre
strongly suggest that other diazotrophs were the main contributors to N2 fixation
in this region. The same conclusion was reached by Moore et al. (2009), who
reported relatively constant rates of diazotrophy in the <20 µm size fraction
across the Atlantic Ocean. These results suggest that the large scale
geographical distribution of unicellular diazotrophs in the open ocean is more
uniform than that of Trichodesmium, contributing a background of modest but
persistent N2 fixation rates.
Montoya et al. (2004) pointed out that the vertical distribution of unicellular
diazotrophs is relatively uniform over the euphotic layer, in contrast with that of
Trichodesmium, which tends to concentrate in the shallower portions of the
88
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
water column (Carpenter et al., 2005). In agreement with this observation, we
found that N2 fixation rates tended to peak at or near the surface in the
equatorial and North gyre regions, whereas a more uniform vertical distribution
was found in the South gyre. This pattern is consistent with an increased
contribution of unicellular diazotrophs to community N2 fixation in the South
gyre. However, nitrogenase is a highly conserved enzyme across microbial
phylogenetic groups (Zehr et al., 2000), and therefore the elevated costs of N2
fixation, both in terms of energetic expenditure and iron requirements, must also
be present in unicellular diazotrophs. One can therefore ask why unicellular
diazotrophs carry on fixing N2 in environments that are very impoverished in
iron. It has been shown that N2 fixation in a unicellular cyanobacterium such as
Cyanothece is much less depressed under low iron concentrations than it is in
Trichodesmium (Berman-Frank et al., 2007). These authors concluded that the
small cell size and rapid intracellular iron recycling capacity of unicellular
diazotrophs make them relatively resistant to low iron concentrations, which
would give them an advantage in low-iron waters. These factors can, therefore,
explain the persistence of N2 fixation in a region that experiences very low
atmospheric deposition such as the South Atlantic subtropical gyre.
3.4.4. Biogeochemical significance of N2 fixation
The mean rates of N2 fixation we measured in the equatorial and North gyre
regions (55-66 and 11-25 µmol m−2 d−1, respectively) are similar to those
recently reported by Moore et al. (2009), who studied also the eastern region of
the Atlantic, but lower than the mean rates observed in other studies more
focused on the western tropical Atlantic (Capone et al., 2005; Montoya et al.,
2007). As a rough calculation, we scaled up from all our measurements (42
stations) to the whole Atlantic Ocean (40ºN-40ºS) by multiplying the measured
daily rates by 365 and using the location of the continental shelf to define the
region’s longitudinal limits. We estimate an annual N2 fixation of ca. 6 Tg N
yr−1 in the North Atlantic (0-40º N) and ca. 1.2 Tg N yr−1 in the South Atlantic
(0-40º S). These are rather conservative estimates because they do not take into
account the occurrence of Trichodesmium blooms and also because our surveys
89
3. LATITUDINAL VARIABILITY
did not cover the western tropical Atlantic, where higher Trichodesmium
abundances have been reported (Capone et al., 2005; Montoya et al., 2007). In
addition, a substantial fraction of the N2 fixed by diazotrophs can be released as
dissolved organic nitrogen (DON), whose subsequent remineralization
represents an additional source of new nitrogen for the ecosystem (Glibert and
Bronk, 1994). Geochemical estimates of N2 fixation, which integrate over wide
spatial and temporal scales and take into account also the production of DON,
are in the range 15-56 TgN yr−1 for the whole Atlantic Ocean (Knapp et al.,
2008).
To assess the biogeochemical significance of measured N2 fixation rates, it is
particularly useful to compare them with the diffusive flux of nitrate from below
the thermocline, which represents the other main input of new nitrogen into the
euphotic layer. Available estimates of vertical nitrate diffusivity are subject to a
large degree of uncertainty, mainly because of a lack of direct measurements of
the vertical diffusivity coefficient (kz). For the tropical North Atlantic, estimates
of this flux range widely between 100-1000 µmol m−2 d−1 (see review in Capone
et al., 2005). These authors estimated that N2 fixation can represent between 50
to 180% of the vertical diapycnal flux of nitrate. However, given that N2
fixation and vertical nitrate diffusion exhibit large spatial and temporal
variability, concurrent and direct measurements of both fluxes are needed to
determine their relative importance. During the 2008 cruise, we were able to
obtain direct measurements of vertical diffusivity, which we then combined
with data of nitrate nanomolar concentration in order to calculate vertical fluxes
of nitrate (see Mouriño-Carballido et al., 2010, Figure 3, Table1). We found that
the contribution of N2 fixation to the total input of new nitrogen (the sum of N2
fixation and vertical diffusion of nitrate) in the North gyre, the equatorial region
and the South gyre was 2, 22 and 44%, respectively. These contributions would
be lower, at least in the equatorial region, if atmospheric nitrogen input were
taken into account. In addition, it can be expected that these contributions will
change seasonally, mainly because of variability in vertical diffusivity
associated with changes in the vertical density gradient. Our results highlight
the quantitative importance of N2 fixation and demonstrate that even in regions
90
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
of low absolute rates of diazotrophy this process may represent a major source
of nitrogen to sustain new production in the upper ocean.
91
Large-scale meridional and zonal variability
in the nitrogen isotopic composition of
plankton in the Atlantic Ocean
ABSTRACT
The zonal (ca. 15º-40ºW along 26-29ºN) and meridional (ca. 30ºN-30ºS along
28º-29ºW) variability of δ15N of suspended particles and zooplankton (>40 µm)
was studied to assess the influence of nitrogen fixation in the isotopic budget of
the tropical and subtropical Atlantic ocean. Two cruises were conducted in
October-November 2007 and April-May 2008. In the region between 30º-15ºN,
the concurrently measured nitrogen fixation (Chapters 2 and 3) was insufficient
to explain the consistent patch of suspended particles with δ15N < 2‰ and
points to a significant contribution of atmospheric deposition of light nitrogen to
the isotopic budget. The equatorial region (15ºN-10ºS) is subject to intense
nitrogen fixation, which may explain 40-60% of the observed δ15N in suspended
particles and 3-30% in zooplankton. In the South region between 10ºS-30ºS,
low values (<4‰) were measured in suspended particles and zooplankton
during 2008. The values of δ15N of suspended particles suggest that nitrogen
fixation, which is usually low (<10 µmol N m−2 d−1), may represent 50-60% of
phytoplankton biomass in this region. Hence, diazotrophy in the South Atlantic
may be more important than previously thought.
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
4.1. INTRODUCTION
In most marine ecosystems, primary production is limited by the availability of
nitrogen (Vitousek and Howarth, 1991; Karl et al., 1992). Reactive nitrogen is
supplied to the euphotic zone by different physical, chemical and biological
processes such as advective diffusion, atmospheric deposition and biological
nitrogen fixation. The latter is mediated by organisms and, in the oligotrophic
regions of the oceans, is a relevant source of new nitrogen (Paerl and Zehr,
2000). The ratio of stable isotopes in phytoplankton (15N/14N expressed as δ15N
in ‰) is variable, due to the contrasting preferences of the organisms for each
isotope. The metabolic pathways usually discriminate against the heavy isotope
(15N), a discrimination that is measured by the isotopic fractionation factor
(Montoya, 2008). Besides, the different forms of inorganic nitrogen have
distinct signatures of δ15N. Deep-nitrate typically ranges between 3-6‰
(Montoya, 2008), atmospheric dinitrogen is, by definition, 0‰, and ammonium
lies between 6-8‰ (Miyake and Wada, 1967). Hence, a very different δ15N of
organic matter is expected, according to the source of nitrogen, if this is
completely consumed. The isotopic signature of phytoplankton will depend then
on the signature of the source of nitrogen and the degree of fractionation during
uptake. Yet, the interpretation of δ15N is not so simple. In the case of animals
(i.e. upper trophic levels), a trophic effect is also observed whereby the tissues
of the consumer are usually 2-4‰ heavier than the food, whereas the animal’s
excreta, mainly in the form of ammonium, can be 2-4‰ lighter than the food
(Montoya, 2008; and references herein). Besides, cultured cyanobacteria
growing on excess nitrate showed a strong fractionation factor, yielding δ15N
values similar to those produced by growth on dinitrogen (Bauersachs et al.,
2009).
In the Atlantic Ocean, experimental data retrieved during large-scale surveys
show that Trichodesmium, the most well-studied diazotroph, is distributed
preferentially between 0-20ºN (Tyrrell et al., 2003; Moore et al, 2009; Luo et
al., 2012; previous chapters). In addition, nitrogen fixation is more significant
between 0º-15ºN (Moore et al., 2009; Luo et al., 2012; chapter 3). The δ15N of
diazotrophs usually ranges between −1‰ and −2‰ (Montoya et al., 2002).
97
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
However, the measured isotopic signature of nitrogen in suspended particles
and the biogeochemical estimates of excess nitrogen available in the literature
suggest than nitrogen fixation is more relevant in a region further north,
between 15º-30ºN (Gruber and Sarmiento, 1997; Mahaffey et al., 2003;
Mahaffey et al., 2004; Reynolds et al., 2007; Hansell et al., 2004). The time
scales reflected by these measurements are different: in situ nitrogen fixation
rates generally represent instantaneous rates over a few hours to 1 day, while
δ15N and excess nitrogen are indicators of the diazotrophic activity over longer
periods of days to months. However, the determinants of this disagreement
remain undefined. Duce et al. (2008) argued that the atmospheric deposition of
reactive nitrogen in the oceans has increased due to human activities and is fast
approaching the marine N2 fixation budget. Other studies have also shown an
increase of the atmospheric deposition of 15N-depleted nitrogen in high and
temperate latitudes (Hastings et al., 2009; Mara et al., 2009; Morin et al., 2009;
Holtgrieve et al., 2011), as a result of the increasing anthropogenic production
of reactive nitrogen and/or natural speciation processes. In addition, Baker et al.
(2007) and Knapp et al. (2010) reported depositional fluxes of low δ15N similar
to measured N2 fixation rates in the Atlantic Ocean.
We have previously described the latitudinal and longitudinal distribution of
measured community nitrogen fixation in the tropical and subtropical Atlantic
Ocean (previous chapters) and the relative contribution of nitrogen fixation and
nitrate eddy diffusion in supplying new nitrogen to the euphotic layer (MouriñoCarballido et al., 2011). Here we report on the distribution of δ15N in suspended
particles and two size-fractions of plankton. We aim 1) to describe the largescale latitudinal variability of nitrogen isotopic signatures in the Atlantic Ocean
and 2) to compare these inferred patterns of diazotrophy with concurrent, direct
measurements of in situ N2 fixation rates.
The data presented in this chapter are included in a manuscript in preparation.
Citation: Fernández A, Marañón E, Bode A. Large-scale meridional and zonal
variability in the nitrogen isotopic composition of plankton in the Atlantic
Ocean. In prep.
98
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
4.2. MATERIAL AND METHODS
4.2.1. Sampling, hydrography and chlorophyll a
Two research cruises were conducted in the tropical and subtropical Atlantic
Ocean during 17 November-8 December 2007 and 13 April-2 May 2008 on
board R/V ‘Hespérides’. The tracks followed by the vessel comprised a zonal
(chapter 2) and a meridional (chapter 3) transect in each season (Fig. 4.1).
2007
2008
Figure 4.1. Sampling stations during the TRYNITROP cruises on board
the R/V ‘Hespérides’. White circles represent the autumn 2007 cruise (17
November - 8 December 2007), and grey triangles the spring 2008 cruise
(13 April - 2 May 2008).
The vertical distribution of temperature, salinity, dissolved oxygen and
fluorescence was measured by a SBE 911plus CTD attached to a rosette
equipped with 12-l Niskin bottles which was fired to 300m depth, always before
dawn. The vertical profiles of fluorescence and oxygen at each station were
99
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
used to choose the sampling depths for the determination of inorganic nutrients
concentration, chlorophyll a concentration, community 15N2 fixation and natural
abundance of nitrogen isotopes in suspended particles.
The concentration of chlorophyll a was measured at 6-7 depths distributed
through the euphotic layer (see chapter 2, section 2.2.3).
4.2.2. Natural abundance of nitrogen isotopes in suspended particles
For the determination of δ15N signature in suspended particles (δ15Nsp), 2-l
samples were taken at 6 depths through the euphotic layer in each pre-dawn
station and filtered through a 25-mm diameter GF/F filter (Whatman). All filters
were dried at 40ºC during 24 h and then stored until pelletization in tin capsules.
The measurement of particulate organic nitrogen (PON) and 15N atom% was
carried out with an elemental analyzer combined with a continuous-flow stable
isotope mass-spectrometer (FlashEA112 + Deltaplus, ThermoFinnigan) and
using an acetanilide standard as reference. The limit of detection of the
equipment was 0.20 µg N.
The isotopic signature observed in the suspended particles may be affected by
the presence of other types of material in addition to phytoplankton (i.e.
bacteria, detritus, zooplankton). The existence of a relationship between the
particulate organic nitrogen (PON) to chlorophyll a (chl-a) ratio and the δ15N of
suspended particles is an indicator of such a trophic effect (Waser et al., 2000).
The Pearson product-moment correlation coefficient of PON:chl-a and δ15Nsp
was calculated to test this possibility.
The weighted mean of δ15N of suspended particles in the euphotic layer was
used as an integral of the signature of phytoplankton in the euphotic zone to
simplify the comparison with the δ15N of plankton. It was calculated, following
Landrum et al. (2011), as:
Weighted mean δ15Nsp =
100
Σi ([PN]i × Δzi × δ15Nsp)
Σi ([PN]i × Δzi)
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
Where [PN]i is the concentration (µM) of particulate nitrogen, δ15Nsp is the
nitrogen isotopic composition of suspended particles (15N/14N, ‰), and Δzi is
the depth interval (m).
The relative contribution of diazotroph nitrogen to the bulk suspended particles
defined by Montoya et al. (2002) was also calculated assuming a constant value
of δ15N deep nitrate (δ15NO3−) of 4.5‰ (Liu and Kaplan, 1989; Sigman et al.,
1997) and δ15N of diazotrophs (δ15Ndiazotroph) of −2‰ (Montoya et al., 2002) as:
% diazotroph N = 100 ×
δ 15Nsp – δ 15NO3−
δ Ndiazotroph – δ 15NO3−
15
This two-end-member model was assumed to depend only on the contribution
of deep-nitrate and diazotrophs.
4.2.3. Natural abundance of nitrogen isotopes in plankton
At each pre-dawn station, zooplankton were collected by vertical tows of a
40µm net of 30cm in diameter through the upper 200m of the water column at a
constant towing speed of 60 m min−1. The content of the collector was
suspended in 500 ml of 20 µm-filtered seawater. Two 60 ml sub-samples were
preserved, one in Lugol’s solution and the other in formaldehyde, for the
determination of Trichodesmium and other phytoplankters abundances. The rest
of the sample was separated into two size fractions by passage through nylon
sieves of 40 and 200µm. Each fraction was then re-suspended in 200 ml of
20µm-filtered seawater and subsequently filtered in pre-weighted 45-mm
diameter GF/F filters by low vacuum pressure. All filters were dried during 24 h
at 40ºC and stored until measurement of particulate organic nitrogen and 15N
atom% as previously described.
The relative contribution of diazotroph N to zooplankton biomass was estimated
following Montoya et al. (2002) two end-member mixing model:
101
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
% diazotroph N = 100 x
δ 15Nplankton – δ 15Nreference pl
δ 15Ndiazotroph – δ 1 5Nreference pl
Where δ15Nplankton stands for the nitrogen isotopic composition of the plankton
size-fraction (15N/14N, ‰), and δ15Nreference pl is the δ15N of reference. It was
calculated assuming a constant value of δ15Ndiazotroph of −2‰ and using as
δ15Nreference pl, in each size fraction, the mean of the 2007 cruise stations between
0-20ºS, where extremely low abundances of Trichodesmium, and the lowest N2
fixation rates, had been measured: 4.6‰ in the 40-200µm size-fraction, and
5.9‰ in the >200µm size-fraction.
4.3. RESULTS
4.3.1. Hydrography and fluorescence
In the latitudinal transects, the Equatorial upwelling was clearly defined by the
rising of the isolines of temperature (T) and salinity (S) in both cruises (Fig.
4.2a, b, c, d). In order to simplify the analysis of data, we use the changes in the
depth of the 16ºC isotherm to delimit three main regions in these transects, i.e.,
North gyre (29º-15ºN), equatorial region (15ºN-10ºS) and South gyre (10º33ºS).
The hydrographic settings found in these regions were similar in both legs.
Surface waters in the equatorial region were always warmer (> 24ºC) and less
saline (< 35 psu) than in the gyres in both seasons. In turn, the stability of the
water column in the gyres was weaker than that found in the equatorial region
(see chapter 3). The fluorescence profiles showed a well-defined deep
chlorophyll maximum (DCM) associated with the thermocline in both transects
(Fig. 4.2e, f). This DCM was shallower and better defined in the equatorial
region than in the gyres. By contrast, in the longitudinal sections, waters were
warmer and slightly more saline in autumn 2007 than in spring (Fig. 4.2e),
leading to a stronger stability of the water column (see chapter 2). The DCM
was located at ca. 100m in both zonal legs and no apparent trend in depth was
observed (Fig. 4.2e, f).
102
Depth (m)
0
50
100
150
200
250
300
350
0
50
100
150
200
250
300
350
0
0
10
10
20
20
30
30
Figure 4.2. Zonal and meridional vertical distribution of temperature (ºC), salinity and fluorescence in autumn
2007 and spring 2008 cruises. Dashed lines in the temperature panels define the limits of the three major
regions identified by the depth of 16ºC isotherm: North gyre, equatorial region and South gyre.
Latitude
-30 -20 -10
Latitude
-30 -20 -10
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
103
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
4.3.2. Stable nitrogen isotopes in suspended particles (δ15Nsp) and particulate
organic nitrogen (PON)
The Pearson product-moment correlation coefficient of PON:chl-a and δ15Nsp
showed no significant relationship, neither positive nor negative, in our two
cruises (Fig. 4.3). Thus, we can assume that the δ15N of suspended particles in
our data reflects mainly the composition of phytoplankton (Waser et al., 2000).
a) 2007 PON to chlorophyll-a ratio
b) 2008 PON to chlorophyll-a ratio
8
6
2
2
0
0
-2
15
Nsp (o/oo)
4
4
δ
δ
15
Nsp (o/oo)
6
-2
-4
-6
-4
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180
PON:chl-a
0
10
20
30
40
50
60
PON:chl-a
Figure 4.3. Relationship between the δ15N of suspended particles (δ15Nsp)
and the particulate organic nitrogen (PON) to chlorophyll a (chl-a) ratio
during the autumn 2007 (a) and the spring 2008 (b) cruises.
The zonal distribution of PON showed no apparent trend and the measured
concentrations were similar in magnitude in both cruises (Fig. 4.4b, d), without
any significant differences between cruises (t-test). The mean PON
concentrations for the zonal transects were 0.22±0.12 µM in 2007 and
0.24±0.06 µM in 2008. In the latitudinal sections, PON depicted a roughly
decreasing trend from North to South in autumn 2007, but no trend was found
in spring 2008 (Fig. 4.4a, c). The measured concentrations in the South gyre
were similar in both cruises. In the North gyre and equatorial regions, measured
PON differed significantly between cruises (t-test, p < 0.01 and p < 0.05,
respectively).
104
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
b) 2007 Zonal transect
1.5
1.0
0.5
0.5
0.0
-30
-20
-10
0
10
20
30
-40
-30
-20
-10
Longitude
Latitude
c) 2008 Meridional transect
d) 2008 Zonal transect
2.0
2.0
1.5
1.5
1.0
1.0
0.5
0.5
-3
-40
-3
1.5
1.0
0.0
PON (mmol m )
2.0
-3
z1 (DCM)
z2
z3
z4
z5
z6 (5m)
PON (mmol m )
-3
PON (mmol m )
2.0
PON (mmol m )
a) 2007 Meridional transect
0.0
0.0
-40
-30
-20
-10
0
Latitude
10
20
30
-40
-30
-20
-10
Longitude
Figure 4.4. Zonal and meridional distributions of particulate organic
nitrogen of suspended particles (PON) during the autumn 2007 (a, b) and
spring 2008 (c, d) cruises. Dashed lines define the limits of the three
major regions identified by the depth of 16ºC isotherm in the meridional
transect: North gyre, equatorial region and South gyre. In the legend z1 to
z6 represent the sampled depths from deeper depth, z1 (DCM) to
shallower depth, z6 (5m).
In the zonal transect of 2007 cruise, the δ15Nsp increased sharply by 4-6‰ from
80-100m to the base of the euphotic layer, probably reflecting the influence of
the African upwelling in the easternmost stations (Fig. 4.5a). However, δ15Nsp
distributed uniformly in the euphotic layer in 2008 cruise (Fig. 4.5b). In the
latitudinal transects, the δ15Nsp was lower in 2007 than in 2008, both in the
105
Depth (m)
Depth (m)
δ 15N (o/oo)
δ 15N (o/oo)
δ 15N (o/oo)
δ 15N (o/oo)
240
Depth (m)
Depth (m)
δ 15N (o/oo)
δ 15N (o/oo)
240
200
δ 15N (o/oo)
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
δ 15N (o/oo)
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
240
200
160
29.1ºS
26.4ºS
23.6ºS
19.7ºS
15.4ºS
12.9ºS
160
80
80
120
40
40
120
0
0
12.3ºS
16.6ºS
20.7ºS
24.9ºS
29.1ºS
33.0ºS
240
200
h) 2008 South gyre region
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
g) 2007 South gyre region
240
200
160
120
120
160
80
80
8.9ºS
4.9ºS
0.8ºS
2.2ºS
6.0ºS
10.0ºS
13.9ºS
40
40
14.4ºN
11.2ºN
7.4ºN
3.3ºN
0.3ºS
4.7ºS
8.6ºS
0
f) 2008 Equatorial region
0
e) 2007 Equatorial region
Figure 4.5. Vertical distribution of δ15N of suspended particles (δ15Nsp) in autumn 2007 and
spring 2008 cruises grouped by region: a, b) zonal transect (15º-38º W), c, d) North gyre
region (30º-15ºN), e, f) equatorial region (15ºN-10ºS), and g, h) South gyre region (10º-30ºS).
240
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
160
160
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
120
120
200
80
80
200
40
40
17.9ºN
21.9ºN
25.6ºN
29ºN / 28.9ºW
0
0
26ºN / 38.3ºW
23.4ºN
20.9ºN
18.4ºN
240
d) 2008 North gyre region
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
c) 2007 North gyre region
240
-6 -4 -2 0 2 4 6 8
160
160
200
120
120
200
80
80
28.9ºW / 29ºN
24.4ºW
19.9ºW
15.4ºW
40
40
17.5ºW
21.4ºW
25.7ºW
29.8ºW
34.1ºW
38.3ºW / 26ºN
0
0
b) 2008 Longitudinal
transect along 29ºN
Depth (m)
Depth (m)
106
Depth (m)
Depth (m)
a) 2007 Longitudinal
transect along 26ºN
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
North gyre (Fig 4.5c, d) and equatorial region (Fig 4.5e, f). By contrast, in the
South gyre region, the vertical distribution of δ15Nsp differed between stations in
each cruises (Fig 4.5g, h), with a wide range of values between −4 and 4‰. The
difference between cruises were significant in the zonal transect, the North gyre
and the equatorial region (t-test, p < 0.01), but not in the South gyre region.
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
The correlations of δ15N of suspended particles with ammonium concentration
and with nitrate concentration are shown in Table 4.1. Considering all the
stations in each cruise, δ15Nsp correlated with ammonium concentration in 2007
(p < 0.05) and with nitrate in 2008 (p < 0.05).
Table 4.1. Pearson product-moment correlation coefficient between δ15N of suspended
particles (δ15Nsp) and nutrient concentration: ammonium (NH4) and nitrate (NO3), in
2007 and 2008 cruises. Numbers in brackets represent the total number of samples
used for the analysis.
All
stations
2007 cruise
North
Equatorial
a
gyre
region
South
gyre
All
stations
2008 cruise
North
Equatorial
a
gyre
region
South
gyre
NH4
0.22*
[128]
0.55*
[54]
0.43**
[38]
n.s.
n.s.
n.s.
0.47**
[42]
−0.38*
[36]
NO3
n.s.
0.30*
[54]
n.s.
n.s.
0.21*
[120]
n.s.
n.s.
0.51**
[36]
**
a
p < 0.01, * p < 0.05, n.s. no significative
includes the zonal and meridional leg in the North gyre.
4.3.3. Nitrogen isotopic signature in the euphotic layer
In order to compare the δ15N of suspended particles and plankton net tows, we
calculated the weighted mean of δ15N of suspended particles to obtain an
integrative δ15Nsp signature for the whole euphotic layer. The patterns described
by the δ15N of the planktonic 40-200 µm (δ15N40) and >200 µm (δ15N200) sizefractions were very similar in all stations, with a few exceptions in the
equatorial region and the zonal legs, and closely matched that of δ15Nsp (Fig.
4.6). The average differences between δ15Nsp and the two plankton size fractions
were in the range previously described (Minagawa and Wada, 1984). For
δ15N40−δ15Nsp was 3.2‰ in 2007 and 2.6‰ in 2008, and for δ15N200−δ15Nsp was
4.3‰ in 2007 and 1.9‰ in 2008.
107
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
a) 2007 Meridional transect
b) 2007 Zonal transect
12
10
6
4
4
2
2
0
0
-2
-2
-4
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
-40
Latitude
-30
-20
-10
Longitude
c) 2008 Meridional transect
d) 2008 Zonal transect
12
12
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
-2
15
N (o/oo)
15
N (o/oo)
8
6
-4
δ
10
δ
δ
15
N (o/oo)
8
15
N (o/oo)
>200µm
40-200µm
suspended particles
δ
12
-2
-40
-30
-20
-10
0
Latitude
10
20
30
-40
-30
-20
-10
Longitude
Figure 4.6. Zonal and meridional distributions of the weighted mean of
δ15N of suspended particles (δ15Nsp), the δ15N of 40-200µm plankton sizefraction (δ15N40), and the δ15N of >200µm plankton size-fraction (δ15N200)
in autumn 2007 (a, b) and spring 2008 (c, d). Dashed lines define the
limits of the three major regions identified by the depth of 16ºC isotherm
in the meridional transect: North gyre, equatorial region and South gyre.
In the autumn 2007 meridional transect, the isotopic signature of suspended
particles roughly rose to the South (Fig. 4.6). The δ15N40 followed this pattern
but not the δ15N200, which showed higher values in the equatorial region. By
contrast, the distributions were dome-shaped in spring 2008, reaching peak
108
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
values in the equatorial region. In both cruises, the gyres presented low δ15N
values in most of the stations. Besides, a positive statistical correlation between
δ15N in the three fractions suggests a relatively efficient transference of nitrogen
between trophic levels (Table 4.2).
Table 4.2. Pearson product-moment correlation coefficient between δ15N of suspended
particles (δ15Nsp), δ15N of 40-200µm plankton size-fraction (δ15N40), and δ15N of
>200µm plankton size-fraction (δ15N200) in the latitudinal transects of 2007 and 2008
cruises. ** p< 0.01, n=17.
δ15Nsp
δ15N40
15
δ N200
δ15N40
2007
2008
2007
2008
0.66 **
0.82 **
−
−
**
**
0.66
0.74
0.90
**
0.78 **
A two-way factorial ANOVA indicated significant differences between regions
and cruises, and for δ15N40 and δ15N200, a significant interaction region-cruise,
which enhances the difference (Table 4.3). The post-hoc Tukey HSD suggested
that the differences are only significant for the pairs North gyre-equatorial
regions.
Table 4.3. Two-way factorial ANOVA (region, cruise) of δ15N of suspended particles
(δ15Nsp), δ15N of 40-200µm plankton size-fraction (δ15N40), and δ15N of >200µm
plankton size-fraction (δ15N200) in the 2007 and 2008 cruises. DF, degrees of freedom;
SS, sums of squares; MS, mean of squares; F, F statistic; p, probability.
δ15Nsp
δ15N40
δ15N200
DF
SS
MS
F
p
SS
MS
F
p
SS
MS
F
p
region
2
23.6
11.8
6.3
0.004
26.6
13.3
11.5
0.000
25.7
12.8
15.4
0.000
cruise
1
16.0
16.0
8.6
0.006
4.8
4.8
4.2
0.048
15.9
15.9
19.2
0.000
region
vs.cruise
2
6.0
3.0
1.6
0.213
20.9
10.5
9.0
0.000
21.7
10.9
13.1
0.000
109
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
We tried to estimate if Trichodesmium could be the major influence on the
patterns observed but no significant correlation (Table 4.4) was found between
the measured filament abundance (previous chapters) and the δ15N of suspended
particles, the 40-200 µm or the >200 µm plankton size-fractions.
Table 4.4. Results of the Pearson's product-moment correlation coefficient between
δ15N of suspended particles (δ15Nsp), the 40-200µm (δ15N40) or the >200µm (δ15N200)
plankton size-fractions and Trichodesmium abundances (Tricho).
TrichoŒδ15Nsp
TrichoŒδ15N40
TrichoŒδ15N200
Pearson' s r
0.19
0.10
p
0.22
0.53
0.99
n
42
41
42
0.00
4.3.4. Diazotroph nitrogen contribution to δ15N in the euphotic layer
The contribution of diazotrophs to the observed δ15N of suspended particles, 40200µm and >200 µm plankton size-fractions decreased to the South in 2007
cruise (Table 4.5). In 2008, the minimum was observed in the equatorial region
(Table 4.5). The importance of this contribution is higher in 2007, except in the
South gyre, where the contribution of diazotroph nitrogen was higher in all sizefractions. In both cruises, diazotrophy explains, on average, the 61% of the
observed δ15Nsp; the 27% of δ15N40, and the 30% of δ15N200.
4.4. DISCUSSION
Our data contributes to the existing studies in the Atlantic Ocean (Waser et al.,
2000; Mino et al., 2002; Montoya et al., 2002; Mahaffey et al., 2003; Mahaffey
et al., 2004; Reynolds et al., 2007; Landrum et al., 2011) providing basin-scale
distribution of δ15N in suspended particles and two plankton size-fractions
during two contrasting seasons. We found a consistent 15N-depleted signal
(<4‰) in suspended particles (δ15Nsp) in the euphotic layer in most of the
110
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
stations (Fig. 4.5; Fig. 4.6). This implies that nitrogen fixation and/or
atmospheric deposition were supplying an important fraction of new nitrogen in
most of the tropical and subtropical Atlantic Ocean in our cruises. The trends in
the δ15N of the two plankton size-fractions closely matched that of suspended
particles, suggesting a relatively high efficiency in the transference of nitrogen
to upper trophic levels in certain regions(Fig. 4.6, Table 4.2).
Table 4.5. Mean contribution of diazotroph nitrogen to δ15N of suspended particles,
40-200µm plankton size-fraction and >200µm plankton size-fraction according to the
two-end-member mixing model proposed by Montoya et al. (2002). The reference
zooplankton used in each fraction corresponded to the average of the stations sampled
in the South gyre during 2007, where Trichodesmium abundance was < 1 trichome l−1,
δ15N40 = 4.6‰, δ15N200 = 5.9‰. The values above 100% and below 0% were discarded
in the calculation of the regions average. Standard deviation of the mean is indicated in
parentheses.
Region
Suspended particles
40-200µm
zooplankton
>200µm zooplankton
2007
2008
2007
2008
2007
2008
Longitudinal transect
81
(29)
59
(3)
52
(14)
16
(9)
43
(4)
31
(6)
North gyre region
85
(14)
61
(10)
48
(22)
21
(11)
41
(12)
36
(8)
Equatorial region
62
(27)
39
(8)
25
(18)
3
(2)
11
(3)
29
(12)
South gyre region
49
(12)
58
(18)
15
(20)
36
(16)
13
(15)
40
(17)
In the meridional transect of 2008, the δ15N signal in the >200µm size-fraction
(δ15N200) was lower than that in the 40-200 µm size-fraction (δ15N40) in most of
the stations (Fig. 4.6), contrary to the usual observed enrichment in 15N of upper
trophic levels (Montoya, 2008). The longer turnover times of mesozooplankton
relative to phytoplankton and microplankton could result in the uncoupling of
111
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
different size-fractions, resulting in this inversion of the expected increasing
pattern (Landrum et al., 2011; Mompeán et al., in press).
4.4.1. Zonal and meridional variations in δ15N in the North gyre
In the North gyre, the difference in δ15Nsp between stations was higher in
autumn 2007 than in spring 2008 (6‰ and 2‰, respectively). However, the
vertical change in δ15Nsp at each station was small in both cruises (Fig. 4.5), and
the measured values of δ15Nsp were always <2‰. Our data are in agreement
with previous reports in the subtropical North Atlantic which show a range of
variation between −2 and 4‰ in the signature of suspended particles (Montoya
et al., 2002; Mahaffey et al., 2003; Reynolds et al., 2007; Landrum et al., 2011).
These authors described a consistently depleted signal between 7º and 32ºN,
which is also confirmed by geochemical tracers (Gruber and Sarmiento, 1997;
Hansell et al., 2004) and points to a persistent excess nitrate in this area. These
light nitrogen signatures have been associated with a large impact of
diazotrophic nitrogen in the isotopic budget of this area, discarding the
influence of other sources of new light nitrogen because of their weak strength
or unlikely occurrence (Reynolds et al., 2007; Landrum et al., 2011). However,
later studies provided new insights that suggest a more relevant influence of
alternative sources such as the atmospheric deposition of 15N-depleted nitrogen.
The δ15N of deep-water nitrate typically ranges between 3-6‰ with a global
average of 4.8‰ (Montoya, 2008). Thus, in the presence of excess nitrate, the
isotopic fractionation during its uptake could result in values of δ15Nsp lower
than 3‰. A recent study showed that cyanobacteria, especially Trichodesmium,
growing on nitrate could express a nitrogen isotopic signal similar to that of
nitrogen fixation depending on the isotopic composition of the nitrogen source,
the degree of fractionation, and the type of cyanobacterium (Bauersachs et al.,
2009). However, no excess dissolved inorganic nitrogen was found in surface
waters in our zonal or meridional legs, where the concentration of nitrate in the
euphotic layer was always lower than 130 nM (Mouriño-Carballido et al., 2011;
see also chapters 2 and 3). We also recorded measurable but low abundances of
112
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
Trichodesmium (<60 trichomes l−1) in the euphotic layer (see chapters 2 and 3),
which is an indication of potential diazotrophy in the area. But, no significant
correlation appeared between Trichodesmium abundances and the δ15Nsp
(Pearson’s r). Hence, we would not expect that a strong isotopic fractionation
associated with cyanobacteria or other phytoplankters was responsible for the
observed δ15Nsp during our cruises.
The lack of data on atmospheric deposition of nitrogen during our study limits
any direct comparison with the measured nitrogen fixation and the distribution
of the δ15N signature, but we can attempt to use an indirect analysis instead. The
two-end-member model proposed by Montoya et al. (2002) yields a
contribution of N2 fixation to δ15Nsp in the range 81-85% in 2007 and 59-61% in
2008 (Table 4.5), which is close to the previous estimation of 74% by Reynolds
et al. (2007). However, experimental measurements of community nitrogen
fixation in this region indicate modest rates of diazotrophy (<60 µmol N m−2
d−1) throughout the year (Moore et al., 2009; Benavides et al., 2011; chapters 2
and 3). During the spring 2008 cruise, Mouriño-Carballido et al. (2011)
calculated the relative importance of nitrate eddy diffusion and measured rates
of nitrogen fixation as sources of new nitrogen to the euphotic layer in the North
gyre. They estimated that the average contribution of nitrogen fixation in this
cruise was only 2% over daily time-scales. We acknowledge that the
comparison of these two fluxes is difficult as they represent different timescales, i.e., the δ15Nsp represents time-scales of days to weeks, while the
measured nitrogen fixation time-scale is one day. But the difference between the
fluxes is 30-fold in 2008. This suggests that other sources than diazotrophy may
be contributing to our observed δ15Nsp, and that the low values are not only a
consequence of intense nitrogen fixation. The importance of the atmospheric
deposition of low δ15N nitrogen, natural or anthropogenic, is increasing in high
and temperate latitudes (Hastings et al., 2009; Morin et al., 2009; Mara et al.,
2009; Holtgrieve et al., 2011). According to the model of Duce et al. (2008), the
atmospheric supply of anthropogenic reactive nitrogen in the central North
Atlantic is usually higher in the latitudinal range between 5º and 25ºN. The δ15N
of this anthropogenic N depends on its origin and is extremely variable (Fang et
113
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
al., 2011). For instance, the δ15N of fuel NOx produced by power plants ranges
between 5 and 13‰ (Heaton, 1990; Kiga et al., 2000), but that of thermal NOx
produced by vehicle exhausts ranges between −13 and −2‰ (Heaton, 1990).
Besides, in the Atlantic Ocean between 45ºN-45ºS, Morin et al. (2009) found a
δ15N of atmospheric nitrate that ranged between −7 and −1.6‰ and was mainly
representing natural sources. In the Mediterranean Sea (Crete Island), Mara et
al. (2009) described a consistent source of low δ15N nitrate throughout the year
with a potential impact on the isotopic budget of intermediate and deep waters,
which could lead to an overestimation of N2 fixation if atmospheric nitrate is
neglected. In spite of that, previous studies discarded the effect of this process
in the analysis of the nitrogen isotopic budget, based on the assumption that the
flux is small compared to nitrogen fixation (Landrum et al., 2011) or to the
export flux of nitrogen out of the euphotic layer (Reynolds et al., 2007). By
contrast, Baker et al. (2007) and Knapp et al. (2010) measured atmospheric
depositional fluxes of 15N-depleted nitrogen similar to those of N2 fixation in
the North Atlantic Ocean. Considering this information, we suggest that the
observed δ15Nsp in the North gyre region during our cruises could be the result
of the supply of light nitrogen through both nitrogen fixation and atmospheric
deposition. Therefore, discarding the effect of this atmospheric supply in the
analysis of δ15Nsp would result in the overestimation of nitrogen fixation.
The signature of light nitrogen found in suspended particles seems to be
efficiently transferred to upper trophic levels. Firstly, the δ15N distributions of
the two zooplankton size-fractions and the suspended particles are significantly
correlated (Fig. 4.6, Table 4.2). Secondly, the observed difference between
plankton and particles at each station (2-4‰) is in agreement with previous
studies reporting that zooplankton nitrogen is typically 3‰ heavier than
phytoplankton (Minagawa and Wada, 1984), due to the enrichment of
zooplankton tissues by the isotopic fractionation associated with metabolic and
excretory processes (Montoya, 2008). Thirdly, both plankton size-fractions
showed relatively low values of δ15N throughout the transects (<4‰). Again,
the data provided by the two-end-member model proposed by Montoya et al.
(2002) point out that the contribution of nitrogen fixation to upper trophic levels
114
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
in 2007 represents 48-52% in the 40-200µm size-fraction and 41-43% in the
>200 µm size-fraction (Table 4.5). In 2008, it represented roughly 16-21% of
the 40-200 µm fraction signal and the 31-36% of the >200 µm size-fraction
(Table 4.5). However, we would expect an overestimation of this contribution
due to the combined effect of atmospheric deposition of 15N-depleted nitrogen
and nitrogen fixation in the isotopic budget of this region.
The δ15N measured in suspended particles and zooplankton suggests a
consistent supply of light nitrogen in this region of the Atlantic Ocean
throughout the year, which coincides with previous studies (Montoya et al.,
2002; Mahaffey et al., 2003; Reynolds et al., 2007; Landrum et al., 2011).
However, we did not measure the isotopic composition of the depositional
fluxes, which could be compared with measured community nitrogen fixation in
our cruises to determine the actual contribution of each flux (Baker et al., 2007;
Knapp et al., 2010). Further studies, characterizing the strength, frequency and
δ15N of the atmospheric sources of nitrogen relative to in situ measured nitrogen
fixation, will help to unequivocally ascertain the relative importance of each
process in determining the δ15N signatures in the North Atlantic.
4.4.2. Meridional variations in δ15N in the equatorial region
In the equatorial region, the meridional trends of the δ15N of suspended particles
coincided with those previously described by Mahaffey et al. (2004). However,
our absolute values are lower than theirs, in the range −2 to 4‰, and closer to
those measured by Reynolds et al. (2007) in the water column and by Mino et
al. (2002) in surface waters. The upwelling in this region allows a persistent
diffusion of deep nitrate to surface waters, which was reflected in the increase
of nitrate concentration during our cruises (Mouriño-Carballido et al., 2011,
chapters 2 and 3), and is likely to support a substantial fraction of primary
production. Therefore, heavy deep-nitrate is probably determining part of the
δ15N of suspended particles in the equatorial region.
In autumn 2007, the difference between the δ15N of 40-200 µm and >200 µm
plankton size-fractions (2‰) suggests either a different time scale in the
115
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
integration of the signal or a low efficiency in the transference of nitrogen to
upper trophic levels. The latter could be attributed to the loss of isotopically
light ammonium through excretory processes, which was suggested as a major
source of light nitrogen in oligotrophic regions (Checkley and Miller, 1989;
Montoya, 2008). However, the positive correlation between δ15N of suspended
particles and ammonium concentration in our cruises (Table 4.1) suggests that
the increase in ammonium is increasing the δ15Nsp and may not be related to the
excretion of plankton.
The cyanobacterium Trichodesmium exudates up to 50% of recent fixed N2 as
dissolved organic nitrogen, which can be easily assimilated by other
phytoplankters and/or bacteria (Glibert and Bronk, 1994). Furthermore, both
nitrogen fixation and Trichodesmium abundances typically reach high values in
this region (Tyrrell et al., 2003; Moore et al., 2009; chapters 2 and 3). Thus, the
supply of light ammonium linked to diazotrophs is probably determining an
important fraction of the nitrogen isotopic budget in the equatorial region. The
two-end-member mixing model (Montoya et al., 2002) yields an average
contribution of this diazotroph nitrogen to δ15Nsp of 62±27% in autumn 2007
and 39±8% in spring 2008 (Table 4.5). On the other hand, Mouriño-Carballido
et al. (2011) estimated that the daily contribution of N2 fixation to total (N2
fixation + vertical diffusion of nitrate) input of new nitrogen was 22% in the
2008 cruise. Again, these fluxes represent different time scales, but both suggest
that nitrogen fixation account for a relevant fraction of the supply of nitrogen to
the euphotic layer in this region, and are consistent with previous experimental
measurements.
The diazotroph nitrogen was inefficiently transferred to upper trophic levels, as
it accounted for 25±18% in the 40-200 µm size-fraction and 11±3% in the >200
µm size-fraction in 2007 cruise, and for 3±2% in the 40-200µm size-fraction
and 29±12% in the >200 µm size-fraction in 2008 cruise (Table 4.5).
Trichodesmium, the dominant diazotroph in this region, is toxic to many species
of zooplankton (Hawser et al., 1992) and only a few groups of copepods are
known to graze it (O’Neil and Roman, 1994). Besides, these groups seem to
excrete a major fraction of the ingested nitrogen (O’Neil et al., 1996, Wannicke
116
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
et al., 2010). Thus, diazotroph nitrogen is preferentially transferred through
dissolved pools when Trichodesmium dominates the community (Mulholland,
2007).
4.4.3. Meridional variations in δ15N in the South gyre region
The distribution of δ15N of suspended particles and zooplankton in the South
gyre region depicted contrasting trends in 2007 and 2008 (Fig. 4.6). Even
though the vertical distribution of δ15Nsp varied within a range of 6‰, data were
<4‰ in all stations (Fig. 4.5) suggesting that a 15N-depleted source of nitrogen
is significantly contributing to the signals. In autumn 2007, the general
meridional pattern largely coincided with that described by Mino et al. (2002) in
surface waters, but not with those given by Mahaffey et al. (2004) and Reynolds
et al. (2007), who found a general increasing trend to the South with values
>2‰. The light patch of δ15Nsp in the range −2 to 0‰, which was found
between 20º-30ºS in the 2007 cruise (Fig. 4.6), seems to be a persistent feature
also described by Mino et al. (2002) with values close to −1‰, and Reynolds et
al. (2007) with values close to 0‰. By contrast, this is the first time that a
decreasing trend δ15N such as the one depicted in spring 2008 is described in
this region.
The flux of atmospheric deposition of nutrients in the South Atlantic Ocean is
extremely weak (Gao et al., 2001; Duce et al., 2008), thus we may discard the
effect of light atmospheric nitrogen in the isotopic budget. The proximity of the
δ15N of both zooplankton size-fractions suggests a high efficiency in the
transference of nitrogen between trophic levels so we also expect a weak
influence of a possible zooplankton-excreted light ammonium (Checkley and
Miller, 1989) on the signal of δ15Nsp. Mahaffey et al. (2004) suggested that the
relatively important dissolved organic nitrogen pool of the South Atlantic could
account for the high δ15N measured in their study. On the contrary, Knapp et al.
(2011) found that a long-lived and poorly reactive DON pool in other regions of
the Atlantic and Pacific Oceans which could be a source of light ammonium
through deamination. However, we propose that the supply of diazotroph
117
4. NITROGEN ISOTOPES IN PLANKTON
nitrogen is significantly determining the observed δ15Nsp. The few experimental
measurements performed to date in the South Atlantic show that nitrogen
fixation is persistent in this region with rates in the range 2 to 50 µmol N m−2
d−1 (Moore et al., 2009; Grosskopf et al., 2012; chapter 3), which are similar to
those reported in the equatorial and North gyre region. This suggests that
nitrogen fixation could be responsible of the persistent light patch of δ15Nsp in
the South gyre between 10º-30ºS. The contribution of nitrogen fixation to the
δ15N of suspended particles was 49±12% in 2007 and 58±18% in 2008,
according to a two-end-member model based on nitrate and diazotrophy
(Montoya et al., 2002). Besides, the daily contribution of nitrogen fixation to
the total (N2 fixation + nitrate diffusive flux) input of nitrogen to the euphotic
layer was 44% during strong stratification conditions in April 2008 (MouriñoCarballido et al., 2011).
This diazotroph nitrogen is transferred to upper trophic levels with relatively
high efficiency in 2008 as it represented 36±16% of the 40-200µm size-fraction
and 40±17% of the >200µm size-fraction (Table 4.5). Hence, both experimental
measurements and estimations seem to agree in that nitrogen fixation could be
supporting an important fraction of primary production in the South gyre, even
though the absolute rates are low.
4.4.5. Conclusions
A persistent and consistent signature of low δ15N of suspended particles (δ15Nsp)
is found in the North gyre region (30º-15ºN) throughout the year in both zonal
and meridional transects, which is usually associated with a relevant input of
nitrogen fixed by diazotrophs (Mahaffey et al., 2003; Reynolds et al., 2007;
Landrum et al., 2011). However, the experimental measurements of nitrogen
fixation show modest rates in comparison with other regions of the Atlantic
Ocean and do not seem to support this argument. The atmospheric deposition of
light nitrogen, which is increasing in the last years, is likely to complete the
required supply that produces this depleted δ15N signal. However, few studies
have addressed the depositional and diazotrophic fluxes together (Baker et al.,
118
TRICHODESMIUM AND NITROGEN FIXATION IN THE ATLANTIC
2007; Knapp et al., 2011) and further studies are needed to accurately define the
strength, frequency and isotopic composition of the atmospheric depositional
flux against the flux of nitrogen fixation in the North Atlantic. The equatorial
region (15ºN-10ºS) is subject to relatively intense nitrogen fixation throughout
the year (Moore et al., 2009; Grosskopf et al., 2012; chapter 3) which may
explain 40 to 60% of the observed δ15Nsp signal. However, this nitrogen of
diazotrophic origin seems to be inefficiently transferred to upper trophic levels.
In the South gyre, the low δ15Nsp and the daily estimated contribution of
nitrogen fixation to the supply of new nitrogen (Mouriño-Carballido et al.,
2011) suggest that diazotrophs can contribute up to half of the nitrogen in
phytoplankton nitrogen at different time scales. Even though the measured
nitrogen fixation rates are low (Moore et al., 2009; Grosskopf et al., 2012;
chapter 3), their impact in the nitrogen isotopic budget of this region may be
large. Hence, a re-evaluation of the importance of diazotrophy in the South
Atlantic Ocean is needed through new studies that should address the annual
variability in nitrogen fixation rates as well as the distribution and relative
importance of the different groups of diazotrophs.
119
Síntesis y conclusiones
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
5.1. SÍNTESIS
La presente tesis ha abordado el estudio de la fijación biológica de nitrógeno en
el océano Atlántico tropical y subtropical desde un punto de vista ecológico y
biogeoquímico. Las medidas, realizadas a bordo del B/O Hespérides en otoño
de 2007 y primavera de 2008, cubrieron un amplio rango espacial, desde
aproximadamente 30ºN a 30ºS. En ambas campañas se ha estudiado la
variabilidad meridional de la abundancia de Trichodesmium, la fijación de N2 y
la abundancia natural de isótopos de nitrógeno (15N y 14N). Además, en el giro
norte subtropical hemos explorado también la variabilidad zonal de dichas
variables.
5.1.1. Variabilidad zonal en el Atlántico norte
El giro norte del océano Atlántico es una región sujeta a un aporte atmosférico
relevante y casi continuo de micro- y macronutrientes (Gao et al., 2001; Duce et
al., 2008; Mahowald et al., 2009), como se muestra en las estimaciones de
concentración de polvo en la atmósfera (capítulo 2, Tabla 2.1). Esto garantiza
un suministro semi-continuo de hierro, que sería suficiente para cubrir los
requerimientos tanto de fijadores de N2 como de no fijadores. En este marco, la
distribución zonal de Trichodesmium parece regulada principalmente por la
temperatura y el grado de estabilidad vertical. El óptimo para su crecimiento se
encontraría en columnas de agua con temperaturas por encima de 20ºC, que
garantizan la anoxia intracelular, y un alto grado de estabilidad vertical, que
permite la acumulación de los tricomas en superficie. La variación zonal de la
fijación de N2 de la comunidad no parece relacionada directamente con las
abundancias de Trichodesmium, que no sería capaz de explicar por sí mismo las
tasas observadas. Esto sugiere la presencia de otros diazótrofos en la región que,
además, están fijando N2 de manera activa, especialmente durante la campaña
de 2008 (capítulo 2, Figura 2.6). La falta de medidas de identificación de nifH
en nuestras campañas no nos permite definir los grupos concretos; sin embargo,
dada la distribución más o menos homogénea de la fijación de N2 en la columna
de agua, es probable que se trate de cianobacterias unicelulares de vida libre,
123
5. SÍNTESIS Y CONCLUSIONES
que tienen una distribución más homogénea en la columna de agua (Langlois et
al., 2008). Por otro lado, la distribución zonal de la fijación de N2 covaría con el
flujo estimado de fosfato a través de la base de la capa fótica, lo que sugiere que
la disponibilidad de fósforo puede actuar como un factor de regulación local de
la diazotrofía en esta región.
5.1.2. Variabilidad latitudinal en el océano Atlántico
La distribución meridional de Trichodesmium en el océano Atlántico tropical y
subtropical (30ºN-30ºS) parece estar controlada principalmente por la
disponibilidad de hierro, aunque la temperatura y el grado de estabilidad vertical
también desempeñan un papel importante. Los aportes de hierro presentan un
claro desequilibrio latitudinal, siendo muy intensos en el Atlántico norte entre el
Ecuador y 20°N y de escasa importancia en el Atlántico sur (capítulo 3, Figura
3.5). Los óptimos para Trichodesmium de estos tres factores, es decir,
temperaturas por encima de 20ºC, alta estabilidad vertical y suministro
suficiente de hierro, se producen en la región ecuatorial (15ºN-10ºS), donde se
detectan las mayores abundancias de este organismo (capítulo 3, Figura 3.7,
Figura 3.9). Los datos de la presente tesis y de estudios previos (Tyrrell et al.,
2003; Moore et al., 2009; Gosskopf et al., 2012) sugieren que este patrón se
repite de manera consistente a lo largo del año. Asimismo, los patrones
meridionales de fijación de N2 están controlados principalmente por la
disponibilidad de hierro, que aparece como el factor clave en la distribución a
escala de cuenca de la diazotrofía. Como hemos visto, la fijación de N2 de la
comunidad correlaciona significativamente con la distribución de
Trichodesmium (coeficiente de correlación de Pearson, r = 0,77; p < 0,01), lo
que indica que, en muchas de las estaciones muestreadas, estos organismos son
los principales responsables de las tasas observadas. Sin embargo, en el giro sur
subtropical, la fijación máxima estimada atribuible a Trichodesmium no es
suficiente para explicar las tasas de fijación de N2 medidas (capítulo 3, Figura
3.10). Esto sugiere la existencia de otros diazótrofos, posiblemente
cianobacterias unicelulares de vida libre. La magnitud relativa de esas tasas de
fijación en el giro sur es modesta en comparación con las tasas más altas,
124
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
medidas en la zona ecuatorial (capítulo 3, Figura 3.9). Sin embargo, según los
cálculos de Mouriño-Carballido et al. (2011), en la campaña de 2008, este
pequeño flujo podría estar contribuyendo hasta en un 44% a la entrada diaria de
nitrógeno nuevo en esta región.
5.1.3. Abundancia natural de isótopos de nitrógeno en la capa eufótica
La abundancia natural de isótopos tanto en fito- como en zooplancton se ha
mostrado como una herramienta útil para la identificación cualitativa de las
áreas en las que la fijación de N2 es un proceso relevante de suministro de
nitrógeno nuevo hacia la capa eufótica. Sin embargo, la importancia de la
fijación de N2 deducida a partir de los bajos valores de la señal de δ15N es
relativa y no se traduciría directamente en una mayor tasa absoluta. Así, las
áreas en las que la fijación de N2 suministra una fracción considerable de
nitrógeno a la comunidad fitoplanctónica no son necesariamente aquellas en las
que la señal de δ15N presenta los valores más bajos. Por otro lado, es necesaria
una correcta caracterización de los procesos que pueden afectar al balance de
isótopos de nitrógeno en cada región, como puede ser el caso del suministro
atmosférico de nitrógeno en el Atlántico norte. En el giro norte subtropical
encontramos una zona persistente de bajo δ15N en fito- y zooplancton, que
coincide con datos de estudios previos (Mino et al., 2002; Mahaffey et al., 2004;
Reynolds et al., 2007; Landrum et al., 2011) y es posiblemente consecuencia del
aporte de nitrógeno ligero por deposición atmosférica, además de la fijación de
N2. Asimismo, en el giro sur subtropical, el efecto de la fijación de N2 sobre el
δ15N parece considerable, llegando a explicar en nuestras campañas 49-58% de
la biomasa del fitoplancton.
La distribución de Trichodesmium y la fijación de nitrógeno en el océano
Atlántico están determinadas por las diferencias meridionales de numerosas
variables (Figura 5.1.). Así, existe una asimetría clara en los aportes
atmosféricos de nutrientes entre el giro norte y el giro sur del Atlántico. En
general, la intensidad y frecuencia de estos aportes es mayor en el norte (Gao et
al., 2001; Duce et al., 2008), garantizando un suministro semi-continuo de
125
5. SÍNTESIS Y CONCLUSIONES
hierro y disminuyendo el grado de limitación de los productores primarios por
este elemento. Además, las mayores intensidades tanto de diazotrofía como de
producción primaria observadas en el norte provocan un consumo intenso de
fosfato, cuya disponibilidad será menor. Así, existe una tendencia a la
limitación por fósforo en esta región (Mather et al., 2008; Mills et al., 2004;
Moore et al., 2009). Sin embargo, el consumo de fósforo en el sur es mucho
menor, por lo que su disponibilidad no llega a ser limitante (Moore et al., 2009).
Figura 5.1. Esquema resumen de los principales factores que determinan
las diferencias latitudinales en la fijación de nitrógeno en el océano
Atlántico (30ºN-30ºS).
5.1.4. Los problemas de la adición de 15N2 como burbuja de gas
Estudios recientes muestran que la técnica de adición de 15N2 en forma de
burbuja de gas puede subestimar las tasas reales de fijación de nitrógeno debido
a una lenta e incompleta disolución del trazador en la botella de incubación
(Mohr et al., 2010; Grosskopf et al., 2012). El grado de subestimación
dependería del tiempo de incubación y de la composición de la comunidad
diazotrófica, por lo que definir un factor de corrección universal que permita
126
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
recalcular las tasas es difícil. En principio, parece que incubaciones cortas, de
unas pocas horas, o que empiecen en el periodo de máxima fijación de
nitrógeno de los diazótrofos propiciarían una mayor subestimación de las tasas
de fijación (Mohr et al., 2010). Por otro lado, en el océano Atlántico se ha visto
que la composición de la comunidad es un factor crucial en el grado de
aprovechamiento de esa limitada cantidad de gas (Grosskopf et al., 2012). La
lenta disolución de la burbuja puede generar un gradiente de N2 dentro de la
botella. Así, la subestimación en comunidades dominadas por fijadores con
cierta capacidad de flotabilidad que puedan estar cerca de la burbujas, como
Trichodesmium, es menor que en aquella en las que los diazótrofos sedimenten
al fondo de la botella. Mohr et al. (2010) proponen la adición del 15N2 ya
disuelto en agua de mar desgasificada para asegurar una completa
disponibilidad del gas. En el trabajo de Grosskopf et al. (2012) esta
subestimación varia desde un factor de 2, en comunidades dominadas por
Trichodesmium, hasta un factor de 7 en comunidades dominadas por
cianobacterias unicelulares.
Las tasas de fijación de nitrógeno de la presente tesis se obtuvieron con
incubaciones largas (24 horas). Según Mohr et al. (2010), en un periodo de 24
horas se disuelve hasta un 75% del gas inyectado. Además, el gas se añadió
antes del amanecer, por lo que la cantidad disponible para aquellos diazótrofos
que fijan durante la noche se aproximaría a esa disponibilidad máxima, lo que
resultaría en un grado de subestimación menor. Es difícil determinar en qué
grado la composición de la comunidad ha afectado a nuestras medidas, dado
que sólo disponemos de medidas de abundancia de Trichodesmium. Sin
embargo, hemos sido capaces de detectar los picos de actividad en el Atlántico
sur que, en el trabajo de Grosskopf et al. (2012), sólo fueron evidentes con el
método de disolución y no estaban asociados a la presencia de Trichodesmium.
Por todo ello, consideramos que, aunque las tasas absolutas que hemos medido
estén moderadamente subestimadas, los patrones observados siguen siendo
válidos.
127
5. SÍNTESIS Y CONCLUSIONES
5.1.5. Futuros estudios
Como hemos visto, las variables que controlan la distribución de los diazótrofos
y su actividad son numerosas. Además, no todas actúan a la misma escala. Así,
el fósforo parece importante a escala local mientras que el hierro lo sería a
escala de cuenca. Por otro lado, el reciente descubrimiento de la sistemática
subestimación de las tasas medidas obligará a la reevaluación de los patrones
conocidos a gran escala de distribución de diazótrofos y su actividad (Luo et al.,
2012). Los futuros estudios deberían coordinar medidas fraccionadas por
tamaños de fijación de nitrógeno con la identificación genética de los grupos de
fijadores presentes. Esta coordinación no ha sido una práctica común. La mayor
parte de la información disponible hasta la fecha proviene de estudios sólo de
distribución de fijadores o sólo de fijación de nitrógeno, lo que dificulta
establecer de manera clara la contribución relativa de cada grupo. Además, en el
futuro, las áreas de estudio no deberían restringirse a las de distribución de
Trichodesmium ya que se ha comprobado que, a temperaturas por debajo de
20ºC, otros fijadores utilizan N2 de manera activa (Rees et al., 2009; Mulholland
et al., 2012).
En cuanto a los factores que controlan la fijación de nitrógeno, a las medidas
anteriores, habría que añadir medidas de:
128
i)
las variables físicas que puedan influir sobre los organismos, como
el grado de estabilidad de la columna de agua, la temperatura o la
salinidad;
ii)
la deposición atmosférica de nutrientes (especialmente hierro y
nitrógeno inorgánico), tanto de su frecuencia e intensidad, como, en
el caso del nitrógeno, de su naturaleza (δ15N);
iii)
el contenido intracelular de hierro y fósforo, que ayudarán a
determinar la escala de actuación de cada uno (local vs. global);
iv)
los flujos difusivos de nutrientes hacia la capa eufótica,
especialmente fósforo y nitrógeno inorgánicos;
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
v)
la señal isotópica de nitrógeno en compuestos específicos (p.ej.
aminoácidos) y en distintas fracciones de plancton, como indicador
de la transferencia de nitrógeno diazótrofo en la cadena trófica;
vi)
la alteración de las relaciones nitrato/fosfato medida a través del
N*, como indicador de actividad diazótrofa.
Por último, estos estudios deberían tener una amplia escala espacial y temporal.
Idealmente, una correcta caracterización de estas variables se haría mediante la
combinación de ambas escalas, ya que hemos visto que la variabilidad a lo largo
del año puede ser tan amplia como la variabilidad geográfica. Los estudios con
una alta resolución temporal ayudarán a determinar tanto la variabilidad
estacional en abundancia de fijadores y tasas de fijación como el grado de
respuesta de los diazótrofos a los distintos factores de control (Benavides et al.,
2013).
5.2. CONCLUSIONES
1. La distribución zonal de la abundancia de Trichodesmium en el Atlántico
Norte parece determinada principalmente por la temperatura y el grado de
estabilidad vertical de la columna de agua. Una alta estabilidad y
temperaturas por encima de 20ºC son requisitos esenciales para el
crecimiento de este género de cianobacterias.
2. La abundancia media de Trichodesmium en superficie en el transecto
meridional fue de 31±49 tricomas l-1 en la región norte (30º-15ºN),
222±266 tricomas l-1 en la región ecuatorial (15º N-10º S) y 1±1 tricoma
l-1 en la región sur (10º-30ºS).
3. La distribución latitudinal de Trichodesmium en el océano Atlántico parece
controlada fundamentalmente por la disponibilidad de hierro. Las
condiciones más favorables para estos organismos, un suministro
suficiente de hierro junto con temperaturas por encima de 20ºC y elevada
estabilidad vertical, se alcanzan en la región ecuatorial.
129
5. SÍNTESIS Y CONCLUSIONES
4. La distribución zonal de la fijación de nitrógeno de la comunidad diazótrofa
en el Atlántico Norte subtropical parece regulada principalmente por el
suministro de fósforo, que podría actuar como un factor de regulación
local a pequeña escala.
5. La distribución latitudinal de la fijación de nitrógeno en el océano Atlántico
tropical y subtropical está controlada por la disponibilidad de hierro,
cuyos aportes por deposición atmosférica son máximos en el norte y
mínimos en el sur. Así, el suministro de hierro es un factor regulador
general a gran escala.
6. La fijación de nitrógeno integrada verticalmente en la capa eufótica fue, en
promedio, 18±7 µmol m−2 d−1 en la región norte (30º-15ºN), 61±26 µmol
m−2 d−1 en la región ecuatorial (15ºN-10ºS) y 7±2 µmol m−2 d−1 en la
región sur (15-30ºS).
7. La fijación de nitrógeno ha sido detectable en todas las estaciones, incluso
cuando Trichodesmium estaba ausente. La comparación de las tasas
medidas con las esperadas si Trichodesmium fuese el diazótrofo
dominante sugiere que otros fijadores contribuyen de manera
significativa a la fijación de la comunidad, incluso con temperaturas por
debajo de 20ºC, en un amplio rango de regiones, especialmente en el
Atlántico sur.
8. La intensa fijación de nitrógeno medida en la región ecuatorial (15ºN-10ºS)
podría explicar de un 40 a un 60% de la señal de δ15N observada en las
partículas en suspensión, confirmando el patrón de medidas
experimentales.
9. La fijación de nitrógeno es un proceso relevante de entrada de nitrógeno
nuevo en el Atlántico Sur pues, aunque las tasas medidas son modestas
(<10 µmol N m−2 d−1), representa hasta un 58% del nitrógeno del
fitoplancton estimada a través de la señal de δ15N.
130
Resumen
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
6.1. INTRODUCCIÓN
El nitrógeno es el principal limitante de la productividad en océano abierto. La
fijación biológica de nitrógeno (N2) representa un suministro importante de
nitrógeno nuevo en la capa eufótica en regiones tropicales y subtropicales (Karl
et al., 2002). Este proceso es más efectivo apoyando la retirada biológica de
CO2 que el flujo vertical de nitrato, que suele estar acoplado al flujo de CO2 de
aguas profundas (Michaels et al., 2001). En los océanos, la fijación de nitrógeno
se realiza a través de cianobacterias, de las que el género Trichodesmium es el
más estudiado (Capone et al., 1997; Galloway et al., 2004). Son capaces de
generar extensas proliferaciones, se distribuyen de manera cosmopolita y
presentan actividades de fijación de N2 relevantes (Capone, 2001; Mahaffey et
al., 2005). Por ello se les ha considerado los principales, sino únicos fijadores de
N2 en regiones tropicales y subtropicales. Sin embargo, estudios recientes
señalan la existencia de otros organismos, principalmente unicelulares de vida
libre, que podrían ser igual de importantes (Zehr et al., 2001; Montoya et al.,
2004; Moisander et al., 2010). Estos grupos se extienden en la columna de agua
de manera más homogénea que Trichodesmium, que domina en superficie
(Langlois et al., 2008). Además presentan óptimos de temperatura más bajos
que Trichodesmium (Langlois et al., 2005; Stal, 2009).
En el océano Atlántico, las medidas experimentales muestran que
Trichodesmium se distribuye preferentemente entre 0-20ºN (Tyrrell et al., 2003;
Moore et al, 2009; Luo et al., 2012; el presente estudio). Además, la fijación de
nitrógeno es más intensa en la banda 0º-15ºN (Moore et al., 2009; Luo et al.,
2012; capítulo 3). El δ15N de los fijadores de nitrógeno suele variar entre −1‰ y
−2‰ (Montoya et al., 2002). Sin embargo, tanto la señal isotópica de nitrógeno
en partículas en suspensión y en plancton, medidas en el Atlántico, como las
estimaciones biogeoquímicas sugieren que la fijación de nitrógeno es más
relevante en el rango 15º-30ºN (Gruber and Sarmiento, 1997; Mahaffey et al.,
2003; Mahaffey et al., 2004; Reynolds et al., 2007; Hansell et al., 2004). Las
escalas temporales de las medidas in situ y el δ15N son distintas (días frente a
meses). Sin embargo, la razón de la discrepancia entre estas variables no se ha
definido aún. Aunque existen evidencias de un aumento en la deposición de
133
6. RESUMEN
nitrato con bajo δ15N en los últimos años que podrían explicar estas
discrepancias (Hastings et al., 2009; Mara et al., 2009; Morin et al., 2009;
Holtgrieve et al., 2011).
La presente tesis representa un estudio de la variabilidad longitudinal en el
Atlántico norte y la variabilidad latitudinal en el Atlántico tropical y subtropical
(norte y sur) de la distribución de Trichodesmium, la fijación de nitrógeno y el
δ15N en fito- y zooplancton, así como de los posibles factores de control que
explican dichas distribuciones durante dos campañas en épocas contrastadas.
6.2. MÉTODOS
6.2.1. Muestreo, hidrografía, nutrientes y clorofila a
El muestreo se realizó a bordo del B/O Hespérides del 17 noviembre al 8
diciembre de 2007 y del 13 abril al 2 mayo de 2008 dentro del marco del
proyecto “TRichodesmium spp. Y fijación de NItrógeno en el Atlántico
TROPical” (TRYNITROP). El barco siguió un transecto longitudinal y un
transecto latitudinal en ambas campañas (Figura 6.1) con estaciones separadas
unos 400km. Las muestras se tomaron antes de amanecer mediante botellas
Niskin de 12 litros en una roseta que se largó a 300m de profundidad. La
distribución vertical de temperatura, salinidad y fluorescencia se midió con un
CTD SBE 911plus. En base a los perfiles de oxígeno y fluorescencia se
seleccionaron las profundidades para la determinación de la concentración de
clorofila a, la concentración de nitrato y fosfato, la producción primaria
particulada, la fijación de nitrógeno y la abundancia de 15N en partículas en
suspensión.
La concentración de nitrato y fosfato se determinó mediante métodos
colorimétricos (Raimbault et al., 1990; Grasshof, 1976), el límite de detección
para el análisis de nitrato fue de 2 nmol l−1, el de fosfato fue 0,02 µmol l−1.
Además, en 2008, se realizaron medidas de la microestructura de la velocidad
de cizalla que permitieron estimar los flujos difusivos de fosfato en los
transectos longitudinales a través del coeficiente de difusividad vertical y la
distribución de fosfato en la columna de agua.
134
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
2007
2008
Figure 6.1. Estaciones de muestreo durante las campañas TRYNITROP a
bordo del B/O Hespérides. Los círculos blancos representan la campaña
de 2007 (17 noviembre - 8 diciembre 2007) y los triángulos grises la
campaña de 2008 (13 abril - 2 mayo 2008).
En 16 ocasiones, se obtuvieron los perfiles verticales de irradiancia
fotosintéticamente activa (PAR) a mediodía mediante un radiómetro Satlantic
OCP-100FF. Encontramos una relación significativa entre la profundidad del
1% de PAR (Zeu) y la profundidad del máximo profundo de clorofila (ZDCM):
Zeu = 9,3 + 0,98 × ZDCM
r2 = 0,87, p < 0,001, n = 16
La concentración de clorofila a se midió a bordo en 6-7 profundidades
seleccionada a lo largo de la capa eufótica. Se filtraron 250ml por profundidad a
través de un filtro de policarbonato (47mm diámetro) de tamaño de poro 0,2µm.
La extracción se hizo mediante acetona (90%) y se midió en un fluorómetro
Turner Designs 700 previamente calibrado con clorofila a pura (Fluka)
135
6. RESUMEN
6.2.2. Inferencia mediante detección por satélite de polvo atmosférico
La concentración media de polvo en la atmófera (g m−2) en los 15 días
anteriores al día de muestreo en cada estación se estimó mediante la ecuación de
Kaufman et al. (2005) y datos de velocidad del viento, descargados del servidor
AVISO-LAS y de aerosoles (Aqua-MODIS Aerosol Optical Depth at 550 nm y
Aerosol Small Mode Fraction) obtenidos a través del sistema Giovanni del
NASA Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center.
6.2.3. Abundancia de Trichodesmium
La abundancia superficial (ca. 5m) de Trichodesmium se estimó mediante
muestras tomadas del suministro de agua en continuo del barco a intervalos de
55-70km. De 60 a 115 litros de agua de mar fueron filtrados a través de una
malla de nylon con una luz de 40µm y un diámetro de 15cm. La integridad de
los filamentos y colonias obtenidos mediante este método se comprobó
regularmente comparando muestras del continuo con muestras de botellas
Niskin.
La abundancia media de Trichodesmium en la capa eufótica se determinó en
muestras obtenidas por pescas verticales con una manga de 40µm de luz y 30cm
de diámetro en los primeros 200m de la columna de agua.
Las muestras fueron fijadas con Formol, almacenadas en oscuridad y
contabilizadas en tierra siguiendo los protocolos descritos por Utermöhl (1958).
6.2.4. Fijación de nitrógeno (N2)
Las tasas de fijación de nitrógeno de la comunidad planctónica en una
incubación de 24 horas se determinaron en cada estación a tres profundidades:
superficie (5m), profundidad intermedia variable (30-80m) y máximo profundo
de clorofila (DCM). Se empleó la técnica de asimilación de 15N2 descrita por
Montoya et al. (1996) y modificada por Rees et al. (2009). Las incubaciones se
realizaron en cubierta simulando las condiciones de luz, mediante una
combinación de filtros neutros y azules, y de temperatura, dentro de un rango de
136
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
2ºC de la temperatura in situ. La incubación se finalizó mediante filtración del
contenido de la botella a través de un filtro GF/F (Whatman) de 25mm de
diámetro. Los filtros se secaron a 40ºC durante 24 horas y se peletizaron para
análisis. La medida del porcentaje atómico de 15N se realizó mediante un
espectómetro de masas FlashEA112 + Deltaplus, ThermoFinnigan usando un
estándar de acetanilida como referencia. El límite de detección del espectómetro
fue de 0,20µg de N y el de las tasas de 0,001 µmol N m−3 d−1.
6.2.5. Abundancia natural de isótopos de nitrógeno en plancton
El δ15N de las partículas en suspensión se determinó en 6 profundidades
distribuidas en la capa eufótica. Una muestra de 2 litros obtenida mediante
botella Niskin se filtró a través de un filtro GF/F (Whatman) de 25mm de
diámetro. Los filtros se procesaron y analizaron siguiendo el procedimiento de
descrito para la fijación de N2.
Las muestras de zooplancton se recogieron mediante pesca vertical con una
manga de 40µm y 30cm de diámetro y se resuspendieron en agua de mar
filtrada por 20µm. Esta se separón en dos fracciones mediante tamices de 40 y
200µm. Las submuestras se filtraron a través de filtros GF/F (Whatman) de
45mm de diámetro. El procesado posterior y medida del δ15N se hizo como en
la fijación de N2.
La media ponderada de Landrum et al. (2011) se empleó para representar el
δ15N de las partículas en suspensión en la capa eufótica. La contribución relativa
de los fijadores de N2 a las señal de partículas en suspensión y zooplancton se
estimó mediante los modelos de mezcla de dos componentes propuestos por
Montoya et al. (2002).
137
6. RESUMEN
6.3. RESULTADOS
6.3.1. Hidrografía, nutrientes y polvo atmósferico
En los transectos longitudinales los escenarios hidrográficos fueron diferentes.
En 2007encontramos una capa superficial más cálida, con temperaturas por
encima de 24ºC, y con mayor estratificación vertical (capítulo 2, tabla 2.1). En
2008 la elevación de las isotermas señala la influencia del afloramiento norte
africano (Figura 6.2)
En los transectos latitudinales, la localización de la isoterma de 16ºC por
encima de 200m nos permitió identificar la zona afectada por el afloramiento
ecuatorial y, por tanto, dividir los mismos en tres regiones: giro norte (29º15ºN), región ecuatorial (15ºN-10ºS) y giro sur (10º-33ºS). La elevación de las
isolíneas de temperatura y salinidad definió el afloramiento ecuatorial
aproximadamente en el mismo rango latitudinal (Figura 6.2). En la región
ecuatorial la temperatura estuvo siempre por encima de 26ºC, aunque la
extensión latitudinal de la zona de mayor temperatura superficial varió entre
campañas (Figura 6.2).
En los trayectos longitudinales, el flujo difusivo de fosfato, estimado en una
capa de 50m centrada en la base de la capa eufótica, fue 5 veces superior en
2008 (capítulo 2, figura 2.3). La distribución latitudinal de la concentración de
fosfato presentó un claro patrón decreciente sur-norte de valores en torno a
0,1µM en el giro sur a valores <0,04µM en el giro norte (capítulo 3, figura 3.4).
Por lo tanto el cociente nitrato/fosfato aumentó de sur a norte en ambas
campañas.
La concentración de polvo atmosférico derivada de datos de satélite mostró un
incremento hacia el este en ambos transectos longitudinales (capítulo 2, tabla
2.1). En latitud, las mayores concentraciones se estimaron entre 0º y 20ºN
(capítulo 3, figura 3.5) en ambas campañas. El aumento de la presencia de polvo
en esta región fue superior durante 2008.
138
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
-30 -20 -10
0
10
20
30
0
50
100
150
200
250
300
350
-40 -30 -20 -10
Profundidad (m)
Profundidad (m)
a) 2007 Temperatura
0
50
100
150
200
250
300
350
Longitud
Latitud
0
10
20
30
Profundidad (m)
0
50
100
150
200
250
300
350
-30 -20 -10
0
10
20
30
Profundidad (m)
0
50
100
150
200
250
300
350
0
Latitud
0
50
100
150
200
250
300
350
-40 -30 -20 -10
Longitud
Latitud
-30 -20 -10
Profundidad (m)
Longitud
Latitud
Profundidad (m)
-30 -20 -10
0
50
100
150
200
250
300
350
-40 -30 -20 -10
10
20
30
0
50
100
150
200
250
300
350
-40 -30 -20 -10
Profundidad (m)
Profundidad (m)
b) 2008 Temperatura
0
50
100
150
200
250
300
350
Longitud
Figure 6.2. Distribución vertical zonal y meridional de la temperatura
(ºC) y la salinidad en la campaña de 2007 (a, c) y la de 2008 (b, d). Las
líneas punteadas delimitan las tres regiones principales identificadas por
la profundidad de la isoterma de 16ºC: giro norte, región ecuatorial y giro
sur.
139
6. RESUMEN
6.3.2. Abundancia de Trichodesmium y fijación de nitrógeno
En los transectos longitudinales sólo se encontraron tricomas libres en las
muestras, tanto de superficie como de la capa eufótica. La abundancia fue baja,
<10 tricomas l−1, en todas las estaciones excepto en las más occidentales de
2007 (Figura 6.3). El promedio de abundancia superficial de Trichodesmium fue
de 6,6±13,5 y 0,8±1,0 tricomas l−1 en 2007 y en 2008, respectivamente.
En los transectos latitudinales, Trichodesmium fue particularmente abundante
en la región ecuatorial, mientras que en el giro sur fue infrecuente (Figura 6.3).
La región de mayores abundancias tanto en superficie como en la capa eufótica
se extendió de 0º a 15ºN en 2007 y de 15ºN a 10ºS en 2008. Aunque con cierta
variabilidad entre campañas, las diferencias regionales en la abundancia de
Trichodesmium son consistentes. En promedio, la abundancia superficial de
Trichodesmium fue de 8-31 tricomas l−1 en el giro norte, 220 tricomas l−1 en la
región ecuatorial y 0,5-1 tricomas l−1 en el giro sur.
Las tasas de fijación de nitrógeno medidas, tanto en los transectos
longitudinales como en los latitudinales, fueron medibles en todas las estaciones
aunque no en todas las profundidades. La actividad medida superficial en el
transecto longitudinal de 2008 fue 10 veces superior a la de 2007 (Figura 6.3),
aunque modesta (<0,3 µmol N m−3 d−1). La fijación integrada en la capa
eufótica presentó un claro patrón de incremento hacia el este en el transecto
longitudinal de 2008 (Figura 6.3), con una mayor contribución de las
comunidades más profundas (capítulo 2, figura 2.5). Además, en promedio esta
fijación integrada fue 7 veces superior en 2008 que en 2007 (1,2±0,5 µmol N
m−2 d−1 frente a 8,3±3,3 µmol N m−2 d−1).
La distribución latitudinal de la fijación de nitrógeno en superficie fue similar a
la de Trichodesmium (Figura 6.3) y ambas variables correlacionan
significativamente (coeficiente de correlación de Pearson, r = 0,74, p < 0,01).
La tasa media de fijación de nitrógeno en la región ecuatorial, donde se
encontraron las tasas más altas, fue 3 veces superior en 2007 que en 2008 (2,94
frente a 0,80 µmol N m−3 d−1).
140
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
La distribución vertical de la fijación de nitrógeno, en el giro norte y la región
ecuatorial, se caracterizó por una tendencia clara a disminuir con la
profundidad, siendo mayor en los primeros 50m de la columna de agua
(capítulo 3, figura 3.8). Sin embargo, en el giro sur, se distribuyó de manera
más uniforme en la capa eufótica (capítulo 3, figura 3.8). La fijación integrada
verticalmente correlacionó significativamente con la fijación en superficie y la
abundancia de Trichodesmium (r = 0,91, p < 0,01; r = 0,77, p < 0,01;
respectivamente). Asimismo, las mayores fijaciones integradas se midieron en
la región ecuatorial (Figura 6.3). En 2008, medimos tasas sustanciales en el giro
sur.
La abundancia de Trichodesmium podría justificar la fijación de nitrógeno
medida en el transecto longitudinal de 2007 y en el giro norte y región
ecuatorial en ambas campañas. Sin embargo, no es suficiente para explicar las
tasas encontradas en el transecto longitudinal de 2008 y en el giro sur (capítulo
3, figura 3.10).
6.3.3. Isótopos de nitrógeno en la capa eufótica
La señal de las partículas en suspensión se puede usar como un indicador de la
actividad de fitoplancton sólo (capítulo 4, figura 4.3). En general, los patrones
descritos por fitoplancton y las dos fracciones de zooplancton, tanto
longitudinal como latitudinalmente, son similares (Figura 6.3) y las tres
fracciones correlacionan significativamente (capítulo 4, tabla 4.2), lo que podría
indicar una relativa eficiencia en la transferencia del nitrógeno fitoplanctónico a
niveles superiores.
141
6. RESUMEN
Fijación de nitrógeno
Trichodesmium
300
15
200
10
100
5
0
Fijación N2 & Trichodesmium
20
Trichodesmium (tricomas l-1)
Fijación de N2 (µmol N m-2 d-1)
a) 2007 Trichodesmium y fijación de nitrógeno en la capa eufótica
0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
-40
Latitud
-30
-20
-10
Longitud
15
c) 2007 δ N en fito y zooplancton
12
12
>200µm
40-200µm
fitoplancton
δ
10
6
4
4
2
2
0
0
-2
-2
-4
N (o/oo)
8
6
15
15
N (o/oo)
8
δ
10
-4
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
-40
Latitud
-30
-20
-10
Longitud
250
15
200
10
150
100
5
50
0
Fijación N2 & Trichodesmium
20
300
Trichodesmium (tricomas l-1)
Fijación de N2 (µmol N m-2 d-1)
b) 2008 Trichodesmium y fijación de nitrógeno en la capa eufótica
0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
-40
Latitud
-30
-20
-10
Longitud
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
-2
-2
-40
-30
-20
-10
0
Latitud
10
20
30
-40
-30
-20
N (o/oo)
12
10
15
12
δ
δ
15
N (o/oo)
c) 2008 δ15N en fito y zooplancton
-10
Longitud
Figure 6.3. Distribución zonal y meridional de la fijación de nitrógeno
integrada y la abundancia de Trichodesmium en la capa eufótica, y de la
media ponderada del δ15N del fitoplancton, el δ15N de la fracción de 40200µm de zooplancton y el δ15N de la fracción de >200µm de
zooplancton en las campañas de 2007 (a, c) y 2008 (b, d). Las líneas de
puntos definen last res regions identificadas por la profundidad de la
isoterma de 16ºC: giro norte, región ecuatorial y giro sur.
142
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
En el transecto latitudinal de 2007, en general, la señal isotópica del
fitoplancton aumentó hacia el sur (Figura 6.4). La fracción de 40-200µm de
zooplancton siguió este patrón pero no la de >200µm, que mostró valores
mayores en la región ecuatorial. En 2008, las distribuciones siguieron un patrón
de domo, con valores más altos en la región ecuatorial y valores más bajos en
los giros (Figura 6.4). No encontramos correlación entre la distribución de
Trichodesmium y los datos de δ15N de fitoplancton o zooplancton (capítulo 4,
tabla 4.4).
6.4. DISCUSIÓN
6.4.1. Distribución y abundancia de Trichodesmium
La distribución longitudinal de Trichodesmium en el Atlántico norte parece
controlada principalmente por la temperatura y el grado de estabilidad vertical
de la columna de agua. La temperatura es un limitador importante de la
distribución de este grupo (Karl et al., 2002). Estudios con cultivos muestran
que el óptimo para crecimiento y fijación de nitrógeno está entre 24ºC y 30ºC
(Breitbarth et al., 2007). Además, se ha sugerido que a temperaturas por debajo
de 20ºC, los diazótrofos no heterocísticos no podrían mantener las condiciones
locales de anoxia necesarias para el funcionamiento de la nitrogenasa (Stal,
2009). Por lo tanto, la casi ausencia de Trichodesmium en el transecto
longitudinal de 2008 se podría explicar por las bajas temperaturas de agua
(<20ºC). Otros factores que favorecen la presencia de Trichodesmium son capas
de mezcla someras y alta estabilidad vertical (LaRoche y Breitbarth, 2005).
Condiciones que se dieron en 2007, favoreciendo el ligero incremento en
abundancia hacia el oeste, donde se encontró la temperatura más alta y el mayor
grado de estabilidad en el transecto longitudinal (capítulo 2, tabla 2.1, figura
2.2).
La distribución latitudinal de Trichodesmium estaría controlada, además de la
estabilidad vertical y la temperatura, por el suministro de hierro. El rango
latitudinal de distribución de Trichodesmium se extendió más hacia el sur
durante 2008 (abril-mayo) que durante 2007 (noviembre-diciembre). Aunque
143
6. RESUMEN
nuestros datos son insuficientes para definir patrones estacionales, estas
diferencias son consistentes con un efecto de la deposición atmosférica de
hierro, ya que la deposición de aerosoles en el margen este del Atlántico norte
es más intensa y se extiende a una mayor área geográfica en primavera que en
invierno (Gao et al., 2001; Kaufman et al., 2005). Así, la mayor estabilidad
hacia el sur, junto con un suministro más elevado de hierro habría favorecido la
extensión hacia el sur del rango de distribución de Trichodesmium en 2008.
6.4.2. Fijación de nitrógeno
Los datos de los transectos longitudinales indican que la fijación de nitrógeno es
medible en el margen este del Atlántico norte, incluso cuando Trichodesmium
aparece en baja abundancia. Además, la comparación de las tasas medidas con
las abundancias de este organismo señala que otros diazótrofos pueden ser
relevantes en este área, especialmente cuando la temperatura es más baja
(<20ºC). Por otro lado, la diferencia en los flujos difusivos de fosfato entre
campañas sugiere un papel de control del fósforo en la regulación de la
distribución local de la fijación de nitrógeno (Sañudo-Wilhelmy et al., 2001) en
una región sujeta a un suministro semi-continuo de hierro a través de deposición
atmosférica (Moore et al., 2009).
La fijación de nitrógeno en el Atlántico central es mayor en el rango latitudinal
comprendido entre 5ºS y 15ºN, donde Trichodesmium es también más
abundante y podría ser responsable de la mayor parte de este flujo. Nuestro
datos respaldan los resultados de Moore et al. (2009) que encontraron altas tasas
de fijación en el mismo rango latitudinal, en la región donde se midieron las
concentraciones más altas de hierro, por lo que concluyeron que el suministro
de hierro y no el de fósforo explicaría las diferencias norte-sur en diazotrofía en
el océano Atlántico. Como ocurría con Trichodesmium, hemos encontrado una
clara asociación entre la región de tasas más altas de fijación de nitrógeno y la
de mayor concentración de polvo en la atmósfera. Ambas variables
correlacionaron significativamente (r = 0,35, p < 0,05). Por lo tanto, estos
resultados sugieren que el suministro de hierro a través de la deposición
144
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
atmosférica es un controlador relevante de la fijación de nitrógeno en el océano
Atlántico, al igual que ocurre en el Pacífico norte (Shiozaki et al., 2009).
En el giro sur, las extremadamente bajas abundancias de Trichodesmium (<1
tricoma l−1) no serían suficientes para explicar la fijación de nitrógeno medida.
Esto sugiere que otros diazótrofos son los principales responsables de la
diazotrofía detectada en esta región. Moore et al. (2009) también llegaron a esta
conclusión tras medir tasas constantes en la fracción de <20µm a lo largo del
Atlántico. Estos resultados sugieren que la distribución geográfica de los
diazótrofos unicelulares a escala de cuenca es más uniforme que la de
Trichodesmium, por lo que podría contribuir con tasas modestas pero
persistentes a lo largo del año.
6.4.3. Isótopos de nitrógeno
En el giro norte del océano Atlántico, la señal de δ15N de las partículas en
suspensión presentan valores bajos de manera persistente a lo largo del año,
tanto en los transectos longitudinales como en los latitudinales, que se ha
relacionado tradicionalmente con un suministro importante de nitrógeno a
través de la fijación de nitrógeno. (Mahaffey et al., 2003; Reynolds et al., 2007;
Landrum et al., 2011). Sin embargo, las medidas experimentales de diazotrofía
muestran tasas relativamente modestas en comparación con las encontradas en
otras regiones del Atlántico. Por lo que no parecen apoyar ese argumento
derivado del análisis de isótopos. Por otro lado, la deposición atmosférica de
nitrato ligero ha aumentado en los últimos años en regiones altas y medias
(Hastings et al., 2009; Morin et al., 2009; Mara et al., 2009; Holtgrieve et al.,
2011) y podría completar el suministro de nitrógeno pobre en 15N necesario para
explicar esa baja señal. Sin embargo, los estudios que evalúan el efecto de la
deposición de nitrógeno y la fijación de nitrógeno en la señal isotópica del
plancton son escasos (Baker et al., 2007; Knapp et al., 2011). Futuros estudios
que definan adecuadamente la intensidad, frecuencia y composición isotópica
del flujo deposicional son todavía necesarios en esta región.
145
6. RESUMEN
En la región ecuatorial (15ºN-10ºS) se ha medido una intense fijación de
nitrógeno en diversas épocas (Moore et al., 2009; Grosskopf et al., 2012;
capítulo 3). Este flujo podría explicar de un 40 a un 60% del δ15N del
fitoplancton en esta región. El nitrógeno suministrado por los diazótrofos se
transferiría de manera ineficiente a niveles tróficos superiores (capítulo 4, figura
4.)
En el giro sur (15º-30ºS), la baja señal de δ15N en fitoplancton sugiere que los
diazótrofos podrían contribuir con la mitad del suministro de nitrógeno en esta
región a la comunidad fitoplanctónica. Aunque las tasas absolutas medidas son
bajas (Moore et al., 2009; Grosskopf et al., 2012; capítulo 3), el impacto de los
fijadores de nitrógeno en el balance isotópico de esta región podría ser
importante. Por lo tanto, una reevaluación de la importancia de la diazotrofía en
el Atlántico sur es necesaria a través de nuevos estudios que definan la
variabilidad anual de la fijación de nitrógeno y los diazótrofos.
146
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166
Agradecimientos
TRICHODESMIUM Y FIJACIÓN DE NITRÓGENO EN EL ATLÁNTICO
Este viaje empezó un 28 de diciembre, hace ya más de ocho años, con una
inocentada extraña orquestada entre PDI de la Universidade de Vigo y un
programa de empleo de la Xunta de Galicia. Son muchas las personas que han
compartido esta travesía conmigo, y no querría cometer la injusticia de olvidar a
alguien, pero sería muy largo mencionarlas a todas. Además, todas saben que
las palabras no son lo mío. Como mucho alguna tímida acción pero nada de
palabrería.
Así que empezaré agradeciéndoos a tod@s (sí, ya sabéis quienes sois) las horas
compartidas, tanto de trabajo como de esparcimiento, las risas, la compresión y
el apoyo, los proyectos realizables e irrealizables, los cafés de media mañana y
todas las muestras de cariño y compañerismo de estos años.
A mis padres, Celsa y José Luis, que me han ayudado a llegar hasta este puerto.
Gracias por su apoyo incondicional, incluso sin llegar entender del todo lo que
es esta locura de la ciencia, sólo porque es lo que me hace feliz.
Al profesor Emilio Marañón que me ofreció realizar esta tesis en un tema que
me encanta y cuando mi edad me impedía cualquier opción de empezar carrera
investigadora, cual yogur caducado. Además de su indulgencia con mis "ideas
felices" y sus comentarios siempre constructivos para orientarme en el buen
camino. Al profesor Antonio Bode todos sus comentarios y sugerencias me han
ayudado a entender los datos, especialmente los de isótopos que han sido más
áridos para mí.
En mi primer año sobreviví gracias a los conocimientos inagotables, buen
carácter y mejores consejos de María E., Patricia P. y Valesca, que siempre
sabían decirme donde, como o quien cuando tenía dudas.
El trabajo duro empezó en el laboratorio y siguió en los barcos. La única
diferencia entre ambos fueron los escenarios y la posibilidad de alcanzar nuevos
horizontes en las cascaritas de nuez flotantes. A María A., Meri, Paloma, Jose
gracias por compartir todas las horas de preparación, envíos, muestreos, mareos,
incubaciones o filtraciones siempre con buen humor. A María H. y también a
Meri les agradezco que aguantasen mis ronquidos con paciencia. A Elena T.
169
AGRADECIMIENTOS
gracias por tu serenidad contagiosa, sentido común, buen hacer, el agua de 4mil
y los chorizos de Salamanca. Por petición personal a Meri también le diré QTD.
He vivido en tres mesas distintas en el laboratorio. La primera, muy pequeñita,
estaba junto a la puerta y el teléfono y la cohabité con María E., que debió
acabar cansada de tanta pregunta en los primeros meses pero siempre me
respondió con una sonrisa. La segunda, fue un poco mayor, junto a la zona del
Winkler y con María A. a mi espalda, en la otra esquina del laboratorio, con
quien he compartido mucho más que trabajo. Gracias por ayudarme a soñar. Y
la tercera, la de María A., así que, también le agradezco la herencia.
A mis amigas del otro lado, del no científico. Mi segunda familia. Romina,
Susana, Olga y Uxía vosotras sabéis que son muchas las cosas que podría
enumerar, pero tendría que escribir otra tesis. Por todo lo que ya sabéis.
A Suso le animo a que acabe, aunque siempre tenga una montaña de trabajo
esperándolo que lo aleja de la tesis. ¡Hay luz al final del túnel! Y le agradezco
esa sonrisa perenne, incluso cuando está bien fastidiado con roturas varias, con
la que siempre nos recibe en su sotanito.
A Susana C. y Elisa les agradezco las horas frente a una pieza de cuero a medio
trabajar, en aquellas mesas incómodas de la escuela de artes y oficios en las que
hablábamos de casi todo siempre con buen humor, en contra del ambiente
general de mutismo y quejas varias por los achaques de la edad que allí reinaba.
A Nieves todas las buenas horas durante las clases de inglés y después. Y sí, he
acabado, ¡por fin!
A Amelia, que me enseñó un lenguaje nuevo, leído en un pentagrama y hablado
a través de las cuatros cuerdas de un violín. Aunque nunca he sido una alumna
aplicada.
Y, como dicen los ingleses, the last but not the least. A Rubén y Astrid gracias
por soñar conmigo estos úlitmos años.
170