Insights on the microbial carbon pump in the global ocean using spectroscopic techniques

Resumen

La transformación de materia orgánica lábil en recalcitrante a consecuencia del metabolismo de los procariotas se ha denominado Bomba Microbiana de Carbono (Jiao and Azam, 2011; Jiao et a., 2010; Ogawa et al., 2001) y puede constituir un mecanismo efectivo de almacenamiento de carbono reducido en el interior del océano. Comprender la generación de materia orgánica disuelta (MOD) recalcitrante y el papel que esta juega en el almacenamiento de carbono en los océanos es crucial para cuantificar su relevancia en el contexto del ciclo global del carbono. En este contexto, el principal objetivo de esta Tesis Doctoral es comprobar la validez de las fracciones cromófora (CMOD) y fluorescente (FMOD) de la MOD como trazadores de la producción microbiana de MOD recalcitrante en el océano global. El trabajo consta de 4 capítulos y se enmarca en la expedición de circunnavegación Malaspina 2010, que ha hecho posible producir el primer inventario global de propiedades ópticas de la MOD tanto en la capa superficial (< 200 m), organizado por provincias biogeógraficas, como en el interior del océano (> 200 m), organizado por masas de agua. En el océano profundo, se trazó la edad y el envejecimiento (utilización aparente de oxígeno) de las principales masas de agua a lo largo de la circulación termohalina, posibilitando la estimación de tasas netas de producción/consumo de CMOD y FMOD y sus respectivos tiempos de renovación. Así, en el Capítulo 1 se muestra que la CMOD se produce in situ a consecuencia del metabolismo microbiano (a una tasa neta global de 3.3 ± 0.5 x 10-5 m-1 por año), presenta un tiempo de renovación de aprox. 625 años y se acumula en el interior del océano debido a su naturaleza recalcitrante, mostrando un incremento de la aromaticidad y el peso molecular medio con el discurrir de la circulación termohalina. Además, se identificaron dos cromóforos, uno centrado a 302 nm (cromóforo UV) y el otro a 415 nm (cromóforo Visible) (para más detalles ver el Capítulo 2). El cromóforo UV se atribuyó parcialmente a nitrato y probablemente también al antioxidante gadusol y presentó un tiempo de renovación de aprox. 345 años. El cromóforo visible se relaciona con el enzima respiratorio citocromo c y presenta un tiempo de renovación de aprox. 360 años. Tanto en la capa superficial como en el interior del océano se han identificado cuatro fluoróforos ubicuos, dos de ellos de naturaleza húmica (C1, C2) y los otros dos proteínica (tipo triptófano, C3, y tipo tirosina, C4) (ver Capítulos 3 y 4). Si bien la distribución global de estos fluoróforos puede explicarse en base a ciertas variables ambientales, la robustez estadística de dicha explicación fue mucho mayor para los de naturaleza húmica que para los de naturaleza proteínica tanto en la capa superficial como en el océano profundo (aprox. 80% vs aprox. 30%). La distribución del material de naturaleza húmica se explicó en función del envejecimiento del agua y mostró una correlación potencial positiva con la utilización aparente de oxígeno tanto en la capa superficial como en el interior del océano. En el interior del océano, C1 mostró una tasa de producción neta mayor que C2: 2.3 ± 0.2 x 10-5 frente a 1.2 ± 0.1 x 10-5 unidades raman por año, y unos tiempos de renovación 530 y 740 años, respectivamente (ver Capítulo 3). Sin embargo, en la capa superficial ambas tasas fueron similares (ver Capítulo 4). En el interior del océano, las eficiencia de conversión de C1 y C2 por unidad de oxígeno utilizada fueron mayores que en la capa superficial, probablemente debido a la fotodegradación. En el interior del océano, el fluoróforo tipo tirosina (C4) presentó una relación potencial inversa con la utilización aparente de oxígeno que permitió calcular una tasa neta de consumo de -1.1 ± 10-5 unidades raman por año y un tiempo de renovación de aproximadamente 460 años (ver Capítulo 3). Por el contrario, el fluoróforo tiempo triptófano (C3) no mostró relación alguna con el envejecimiento de las masas de agua. En la capa superficial, los fluoróforos proteínicos se vieron mas afectados por procesos físicos, aunque la relación positiva entre C4 y clorofila también implica una influencia de la actividad microbiana sobre la distribución de este componente (ver Capítulo 4). La producción in situ de estas fracciones de la MOD como subproductos del metabolismo microbiano, su acumulación con el envejecimiento de las masas de agua, y los prolongados tiempos de renovación de los componentes húmicos indican el papel relevante que la bomba microbiana de carbono juega en el secuestro de carbono en el interior del océano. Por tanto, la hipótesis inicial de esta Tesis: ¿son las fracciones cromófora y fluorescente de la MOD componentes clave del reservorio de MOD recalcitrante? ha sido verificada. Igualmente, el hecho de que estos cromóforos y fluoróforos puedan usarse como trazadores de la mezcla de masas de agua y los procesos biogeoquímicos que ocurren a escala centenaria abre nuevas perspectivas acerca del almacenamiento de carbono en los océanos. Referencias: Ogawa, H., Amagai, Y., Koike, I., Kaiser, K., Benner R., 2001. Production of refractory dissolved organic matter by bacteria, Science, 292, 917¿20. Jiao, N., Azam, F., 2011. Microbial carbon pump and its significance for carbon sequestration in the ocean. In Microbial Carbon Pump in the Ocean, eds Jiao, N., Azam, F., Sanders, S., Science Booklet, Supplement to Science, pp. 43¿45. Jiao, N., Herndl, G. J., Hansell, D. A., Benner, R., Kattner, G., Wilhelm, S. W., Kirchman, D. L., Weinbauer, M. G., Luo, T., Chen, F., Azam, F., 2010. Microbial production of recalcitrant dissolved organic matter: long-term carbon storage in the global ocean, Nature Reviews Microbiology, 8, 593-599.