Limitation of Algal Growth by Iron Deficiency in the Australian Subantarctic Region

In March 1998 we measured iron in the upper water column and conducted iron- and nutrient-enrichment bottle-incubation experiments in the open-ocean Subantarctic region southwest of Tasmania, Australia. In the Subtropical Convergence Zone (∼42°S, 142°E), silicic acid concentrations were low (\u3c 1.5μM) in the upper water column, whereas pronounced vertical gradients in dissolved iron concentration (0.12-0.84 nM) were observed., presumably reflecting the interleaving of Subtropical and Subantarctic waters, and mineral aerosol input. Results of a bottle-incubation experiment performed at this location indicate that phytoplankton growth rates were limited by iron deficiency within the iron-poor layer of the euphotic zone. In the Subantarctic water mass (∼46.8°S, 142°E), low concentrations of dissolved iron (0.05-0.11nM) and silicic acid (\u3c 1μM) were measured throughout the upper water column, and our experimental results indicate that algal growth was limited by iron deficiency. These observations suggest that availability of dissolved iron is a primary factor limiting phytoplankton growth over much of the Subantarctic Southern Ocean in the late summer and autumn

Chemometric perspectives on plankton community responses to natural iron fertilisation over and downstream of the Kerguelen Plateau in the Southern Ocean

International audienceWe examined phytoplankton community responses to natural iron fertilisation at 32 sites over and downstream from the Kerguelen Plateau in the Southern Ocean during the austral spring bloom in October–November 2011. The community structure was estimated from chemical and isotopic measurements (particulate organic carbon – POC; 13C-POC; particulate nitrogen – PN; 15N-PN; and biogenic silica – BSi) on size-fractionated samples from surface waters (300, 210, 50, 20, 5, and 1 μm fractions). Higher values of 13C-POC (vs. co-located 13C values for dissolved inorganic carbon – DIC) were taken as indicative of faster growth rates and higher values of 15N-PN (vs. co-located 15N-NO3 source values) as indicative of greater nitrate use (rather than ammonium use, i.e. higher f ratios).Community responses varied in relation to both regional circulation and the advance of the bloom. Iron-fertilised waters over the plateau developed dominance by very large diatoms (50–210 μm) with high BSi / POC ratios, high growth rates, and significant ammonium recycling (lower f ratios) as biomass built up. In contrast, downstream polar frontal waters with a similar or higher iron supply were dominated by smaller diatoms (20–50 μm) and exhibited greater ammonium recycling. Stations in a deep-water bathymetrically trapped recirculation south of the polar front with lower iron levels showed the large-cell dominance observed on the plateau but much less biomass. Comparison of these communities to surface water nitrate (and silicate) depletions as a proxy for export shows that the low-biomass recirculation feature had exported similar amounts of nitrogen to the high-biomass blooms over the plateau and north of the polar front. This suggests that early spring trophodynamic and export responses differed between regions with persistent low levels vs. intermittent high levels of iron fertilisation

Fertilisation par le fer et structure des communautés planctoniques dans les régions riches en nutriments de l'océan Austral

International audienceIn this review article, plankton community structure observations are analyzed both for artificial iron fertilization experiments and also for experiments dedicated to the study of naturally iron-fertilized systems in the Atlantic, Indian and Pacific sectors of the Southern Ocean in the POOZ (Permanently Open Ocean Zone) and the PFZ (Polar Frontal Zone). Observations made in natural systems are combined with those from artificially perturbed systems, in order to evaluate the seasonal evolution of pelagic communities, taking into account controlling factors related to the life cycles and the ecophysiology of dominant organisms. The analysis considers several types of planktonic communities, including both autotrophs and heterotrophs. These communities are spatially segregated owing to different life strategies. A conceptual general scheme is proposed to account for these observations and their variability, regardless of experiment type. Diatoms can be separated into 2 groups: Group 1 has slightly silicified fast growing cells that are homogeneously distributed in the surface mixed layer, and Group 2 has strongly silicified slowly growing cells within discrete layers. During the growth season, Group 1 diatoms show a typical seasonal succession of dominant species, within time windows of development that are conditioned by physical factors (light and temperature) as well as endogenous specific rhythms (internal clock), and biomass accumulation is controlled by the availability of nutrients. Group 1 diatoms are not directly grazed by mesozooplankton which is fed by protozooplankton, linking the microbial food web to higher trophic levels. Instead, successive dominant species of Group 1 are degraded via bacterial activity at the end of their growth season. Organic detritus fragments feed protozooplankton and mesozooplankton. The effective silicon pump leads to the progressive disappearance of silicic acid in surface waters. In contrast, Group 2 is resistant to grazing due to its strong silicification, and its biomass accumulates continuously but relatively slowly throughout the productive period. Group 2 diatoms are concentrated at or near the seasonal pycnocline and thus benefit from upward nutrient fluxes by diapycnal mixing. The decrease in light and the deep convective mixing in the fall produce both light and nutrient limitation leading to a massive carbon export of Group 2 diatoms, a major annual event of the biological pump. This scheme describes the seasonal evolution of plankton communities in surface waters of the Southern Ocean. The scheme could probably be extended to ecosystems that are characterized by a seasonal bloom under influence of iron or other nutrients.Dans cet article de synthèse, les observations sur la structure des communautés de plancton sont analysées à la fois pour des expériences de fertilisation artificielle en fer et pour des expériences consacrées à l'étude de systèmes à fertilisation naturelle en fer dans les secteurs Atlantique, Indien et Pacifique de l'océan Austral dans la POOZ (Zone océanique ouverte de façon permanente) et la PFZ (Zone du front polaire). Les observations effectuées dans des systèmes naturels sont combinées à celles de systèmes artificiellement perturbés, afin d'évaluer l'évolution saisonnière des communautés pélagiques, en tenant compte des facteurs de contrôle liés aux cycles de vie et à l'écophysiologie des organismes dominants. L'analyse considère plusieurs types de communautés planctoniques, y compris les autotrophes et les hétérotrophes. Ces communautés sont spatialement séparées en raison de stratégies de vie différentes. Un schéma général conceptuel est proposé pour prendre en compte ces observations et leur variabilité, quel que soit le type d'expérience. Les diatomées peuvent être séparées en 2 groupes: le groupe 1 comprend des cellules à croissance rapide légèrement silicifiées, réparties de manière homogène dans la couche mélangée de surface, et le groupe 2, des cellules à croissance lente fortement silicifiées au sein de couches discrètes. Au cours de la saison de croissance, les diatomées du groupe 1 présentent une succession saisonnière typique d’espèces dominantes, dans des créneaux de développement conditionnés par des facteurs physiques (lumière et température) ainsi que par des rythmes endogènes spécifiques (horloge interne) et la biomasse est contrôlée par la disponibilité des nutriments. Les diatomées du groupe 1 ne sont pas directement broutées par le mésozooplancton, qui est alimenté par le protozooplancton, ce qui relie le réseau trophique microbien aux niveaux trophiques supérieurs. Au lieu de cela, les espèces dominantes successives du groupe 1 sont dégradées par l'activité bactérienne à la fin de leur saison de croissance. Des fragments de détritus organiques nourrissent le protozooplancton et le mésozooplancton. L'efficacité de la pompe de silicium entraîne la disparition progressive de l'acide silicique dans les eaux de surface. En revanche, le groupe 2 résiste au broutage en raison de sa forte silicification et sa biomasse s'accumule de manière continue mais relativement lente tout au long de la période de production. Les diatomées du groupe 2 se concentrent au niveau de la pycnocline saisonnière ou à proximité de celle-ci et bénéficient donc des flux d'éléments nutritifs ascendants par mélange diapycnal. La diminution de la lumière et le mélange convectif profond en automne entraînent à la fois une limitation de la lumière et des éléments nutritifs, ce qui entraîne une exportation massive de carbone des diatomées du groupe 2, événement annuel majeur de la pompe biologique. Ce schéma décrit l'évolution saisonnière des communautés de plancton dans les eaux de surface de l'océan Austral. Le système peut sans doute être étendu aux écosystèmes caractérisés par une prolifération saisonnière sous l'influence du fer ou d'autres nutriments

The Biogeochemical Cycle of Silicon in the Ocean

In the biogeochemical dynamics of marine ecosystems, silicon is a major element whose role has, for a long time, been underestimated. It is however indispensable to the activity of several biomineralizing marine organisms, some of which play an essential role in the biological pump of oceanic carbon.This book presents notions indispensable to the knowledge on the silicon biogeochemical cycle in ocean systems, first of all describing the main quantitative analysis techniques and examination of the major organisms involved in the cycle. The author then moves on to study the most up-to-date processes to control the use of silicon and its regeneration in natural conditions, before mentioning the central role played by this original element in the control of all the biogeochemical cycles in the global ocean. The available information finally enables the global biogeochemical budget of silicon in the marine environment to be quantified

Cycle biogéochimique du silicium et contrôle de la pompe biologique

Le cycle biogéochimique du silicium en milieu océanique a été étudié dans l Océan Austral sur le plateau des îles Kerguelen naturellement fertilisé en fer (programme KEOPS) et en Atlantique nord-est dans une zone frontale de transition des régimes de production (programme POMME). Les données acquises dans le cadre du programme KEOPS concernent les stocks et les flux de production de la silice biogénique attribuables aux diatomées dans la couche de surface. L impact du fer sur l utilisation du silicium par les populations naturelles de diatomées est analysé. Les résultats obtenus mettent en évidence le rôle du fer sur l absorption d acide silicique par les diatomées. Dans la zone naturellement fertilisée, les diatomées présentent des affinités plus élevées pour l acide silicique leur permettant d exploiter efficacement des concentrations faibles et limitantes de ce sel nutritif. Par ailleurs, ce travail permet d observer l impact du fer sur les compositions spécifiques et les compositions élémentaires des communautés de diatomées. Dans la zone fertilisée, les diatomées sont, comparativement à la zone HNLC du large, composées d espèces plus faiblement silicifiées et présentent des rapports de production Si: C et Si: NO3 relativement typiques de diatomées en conditions nutritionnelles favorables. Néanmoins, l analyse à l échelle saisonnière de la consommation des sels nutritifs témoigne d une très faible utilisation des nitrates. Les résultats montrent que le bloom de diatomées utilise en grande partie de l ammonium comme source azotée, produit par une communauté hétérotrophe active. Les données acquises dans le cadre du programme POMME concernent les flux d exportation de la silice biogénique et lithogénique dans la zone mésopélagique de part et d autre d une zone frontale séparant deux régimes de productions distincts (i.e. mésotrophie versus oligotrophie). Les résultats permettent d obtenir un bilan des flux annuels d exportation de BSi/LSi dans cette zone du bassin nord-est de l Atlantique. Il apparaît que les flux d exportation de BSi sont relativement faibles en relation avec la limitation de la production siliceuse en surface. D autre part, la variabilité spatiale observée des flux d exportation de BSi va à l encontre du gradient de production en surface ; des processus d advection sont évoqués pour expliquer ces observations. De façon globale, le fonctionnement des systèmes KEOPS et POMME est décrit à partir d une analyse combinée de la structure des réseaux trophiques et des flux biogéochimiques dans ces systèmes. En particulier, le devenir de la matière produite est discuté pour comprendre les caractéristiques de la pompe biologique. Ce travail, en combinaison avec une analyse du bilan de production et d exportation de silice biogénique dans l Océan global permet de discuter du rôle des diatomées dans la pompe biologique de carbone. On a pu mettre en évidence que si les diatomées jouent un rôle important dans l exportation quantitative de matière (i.e. intensité de la pompe biologique), elles ne sont pas pour autant efficaces dans ce processus d exportation par rapport à leur production (i.e. efficacité de la pompe biologique).The oceanic biogeochemical silicon cycle was studied in the Southern Ocean on the naturally iron enriched Kerguelen plateau (KEOPS program) and in the northeast Atlantic in a frontal zone of production regime transition (POMME program). Data obtained as part of the KEOPS program are stocks and production fluxes of biogenic silica attributable to diatoms in the surface layer. The impact of iron on silicon utilization by natural diatom populations is analysed. Results underscore the role of iron on silicic acid uptake by diatoms. In the naturally iron-enriched area, diatoms have higher affinities for silicic acid which allows them to efficiently exploit low and limiting concentrations of this nutrient. In addition, this work provides evidence of the iron impact on the specific and elemental composition of diatom communities. By contrast with the HNLC offshore area, the diatom assemblage of the naturally iron enriched area is composed by more lightly silicified species and has Si:C and Si:NO3 uptake ratios quite typical of diatoms growing in favourable nutritional conditions. However, on a seasonal basis analysis of nutrient utilization shows that nitrate utilization is very low. Results show that the diatom bloom utilizes predominatly ammonium as its nitrogen source, which is produced by an active heterotrophic community. Data obtained as part of the POMME program are the export fluxes of biogenic and lithogenic silica in the mesopelagic layer from each part of the frontal zone dividing two distinct production regimes (i.e. mesotrophy versus oligotrophy). Results provide an annual estimate of BSi/LSi export in this area of the northeast Atlantic Basin. BSi export fluxes are relatively low in relation to the limitation of silica production at the surface. Moreover, the spatial variability of BSi export flux is contrary to the gradient of productivity at the surface ; advective processes are hypothesised to explain these observations. Globally, the KEOPS and POMME system functionning is described from a combined analysis of the food web structure and the biogeochemical fluxes in these systems. The fate of produced matter is discussed to understand the biological pump characteristics. This work, in combination with an analysis of biogenic silica production and export in the Global Ocean puts in perspective the role of diatoms in the carbon biological pump. We found that if diatoms play an important role in the quantitative export of matter (i.e. the biological pump intensity), they are not as efficient in the export process as compared to their production (i.e. the biological pump efficiency).AIX-MARSEILLE2-BU Sci.Luminy (130552106) / SudocSudocFranceF

Dynamique saisonnière et variabilité pigmentaire des populations phytoplanctoniques dans l'Atlantique nord (golfe de Gascogne)

Une étude de la dynamique phytoplanctonique sur le plateau continental Atlantique français (PCAF) a été réalisée par l'identification pigmentaire en chromatographie liquide haute performance (HPLC) et un traitement des données par l'approche chémotaxonomique utilisant notamment le logiciel CHEMTAX.Le cycle phytoplanctonique du PCAF a pu être décrit au cours de cette étude. Sur le PCAF, les effets conjoints des vents, de la pluviosité et de l'ensoleillement déterminent la position des panaches fluviaux et leur capacité à exporter loin des côtes leurs propriétés physiques (température) et chimiques (sels nutritifs et salinité). Le stock de nutriments est rapidement épuisé dès l'hiver si les conditions sont favorables et une succession d'espèces se met en place précocement. Celle-ci est étroitement contrôlée par l'environnement physique et présente de ce fait une forte variabilité annuelle, en particulier en hiver et au printemps. Les diatomées sont présentes toute l'année dans les eaux du PCAF mais leur dominance est maximale en hiver et au printemps. La sectorisation diatomées-prymnésiophycées dans le sens côte-large a été mise en évidence en hiver, printemps et en début d'été. La fin de l'été est caractérisée par la forte dominance des cyanophycées (Synechococcus spp. probablement) qui se développent à de très basses concentrations en nutriments et en conditions de forte stratification de la masse d'eau. Cette situation s'établit après une période de transition entre l'été et l'automne avec un changement brutal des populations phytoplanctoniques à l'issue duquel les cyanophycées peuvent alors représenter la moitié de la biomasse algale.BREST-BU Droit-Sciences-Sports (290192103) / SudocBORDEAUX1-Lab.Océanogr.Arcacho (330092101) / SudocSudocFranceF

Variabilité spatiale et temporelle du cycle du silicium dans divers milieux oligotrophes et mésotrophes

AIX-MARSEILLE2-BU Sci.Luminy (130552106) / SudocSudocFranceF

A new method for nanomolar determination of silicic acid in seawater

International audienc