On the distribution and biogeochemical cycling of bioactive trace metals in the Southern Ocean
Date
2020-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Bioactive trace metals, including copper (Cu), zinc (Zn), nickel (Ni) and cadmium (Cd), are
essential micronutrients to marine phytoplankton and their availability in the surface ocean has
been shown to influence phytoplankton community composition and abundance.
Through photosynthesis, phytoplankton are the primary drivers of the marine carbon cycle
therefore constraining trace metal – phytoplankton dynamics, as well as other
biogeochemical processes controlling trace metal distributions, is critical to
understanding the greater carbon cycle. Owing to logistical constraints, less attention has been
directed toward trace metal cycling on a seasonal basis. This is particularly important in the high
latitude ocean regions where large seasonal fluctuations in environmental conditions e.g. light,
wind and temperature, are likely to impact trace metal distributions directly or indirectly. To
this end, this study focuses on the data scarce Southern Ocean and investigates the
distribution and biogeochemical cycling of Cu, Zn, Ni and Cd in summer and in winter, two seasons
with contrasting environmental conditions for phytoplankton growth. This framework provided a
unique opportunity to characterise the Southern Ocean winter reset period and to assess the role of
deep winter mixing as a potential in-situ physical trace metal supply mechanism to aid surface
productivity.
In order to address these questions, research cruises were conducted in summer and
winter in the Atlantic sector of the Southern Ocean (0 - 8°E) while a third cruise took place in
winter in the Indian Sector of the Southern Ocean (30°E). In the Atlantic sector, first winter
measurements of dissolved (0.2 µm filtered seawater) Cu (dCu), Zn (dZn) and Ni (dNi) were compared
with corresponding summer measurements from the same locations. Differences in trace metal
distributions were most evident in the surface mixed layer where winter concentrations were
consistently greater compared to summer. Variations in trace metal seasonality were also linked to
latitude whereby seasonal variations observed near the Sub-Antarctic Front (SAF; ~ 46°S)
were negligible for all three trace metals and largest variations, up to 2.0 nmol kg⁻¹ for
dCu, 1.2 nmol kg⁻¹ for dZn and 0.3 nmol kg⁻¹ for dNi, were observed near the southern extent of the
Antarctic Circumpolar Current (ACC; ~ 54°S). The primary driver of these variations was through
differences in biological activity with lower trace metal utilisation during winter. Sub-optimal
growth conditions experienced by phytoplankton during the winter were further confirmed through
calculated trace metal uptake ratios and estimations of phytoplankton productivity. Our results
further suggest that deep winter mixing, i.e. the mixing of depleted summer surface waters with
nutrient enriched sub-surface waters, constitutes a potentially significant surface water source of
dCu, dZn and dNi with implications for phytoplankton productivity over the subsequent spring and
summer seasons.
In the Indian sector of the Southern Ocean (30°E longitude), winter measurements of dZn and
dissolved cadmium (dCd) were coupled with particulate (> 0.45 µm filter) zinc (pZn) and cadmium
(pCd) in an effort to investigate winter trace metal cycling in more detail. Distinct
changes in dissolved and particulate Cd and Zn cycling were observed between the various frontal
regions encountered and were related to changes in phytoplankton community composition and physical
circulation patterns. Our data suggests diatoms are major drivers of the observed trace
metal gradients through their preferential consumption of dCd and dZn, relative to the major
nutrient phosphate (PO4), in the Antarctic Zone (AAZ). Here, high dCd/PO4 and dZn/PO4
uptake ratios set the high ratios of pCd and pZn to phosphorous (P; pCd/P; pZn/P)
observed in surface waters. Ultimately, the uptake characteristics of diatoms at higher latitudes
influences Cd and Zn cycling at lower latitudes as a result of the northward flow of surface
waters depleted in dCd and dZn. In addition, because diatoms require silicic acid
(Si(OH)4), the export of their cells below the winter mixed layer provides additional insights as
to the observed deep water coupling of dZn and Si(OH)4. Below the surface, Cd and Zn
cycling is predominantly controlled by remineralisation, vertical mixing and upwelling. We
conclude that winter Southern Ocean surface waters are not biologically dormant and that trace
metal cycling is influenced
by biological productivity during winter.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Bio-aktiewe spoormetale, insluitend koper (Cu), sink (Zn), nikkel (Ni) en kadmium (Cd), is noodsaaklike mikrovoedingstowwe vir mariene fitoplankton. Daar word getoon dat die beskikbaarheid van hierdie bio-aktiewe spoormetale in die oppervlakwater van die oseaan die fitoplanktongemeenskappe se samestelling en weligheid beïnvloed. Fitoplankton is die primêre dryfveer vir die mariene koolstofsiklus deur fotosintese. Die ontleding van die dinamika tussen spoormetale en fitoplankton, asook die ander biogeochemiese prosesse wat die verspreiding van spoormetale beheer, is kritiek tot die verstaan van die groter koolstofkringloop. Seisoenaal word daar minder aandag gegee aan spoormetaal-siklussering as gevolg van logistieke beperkinge, veral in die hoë breedtegraad oseaanstreke. In hierdie streke is die kanse groter dat die verspreiding van spoormetale direk of indirek beïnvloed word deur die groot seisoenale skommelinge in omgewingstoestande soos lig, wind en temperatuur. Derhalwe fokus hierdie studie op die Suidelike Oseaan waaroor daar ‘n skaarste aan data is en ondersoek dit die verspreiding en biogeochemiese siklussering van Cu, Zn, Ni en Cd in die somer en winter, twee seisoene met uiteenlopende omgewingstoestande vir die groei van fitoplankton. Hierdie raamwerk bied ‘n unieke geleentheid om die tydperk van herset tydens die winter in die Suidelike Oseaan te karakteriseer en die rol van diepte-vermenging in die winter as ‘n potensiële meganisme om ter plaatse spoormetale te voorsien wat produktiwiteit in die oppervlakwater van die oseaan bevorder, te bepaal. Ten einde hierdie vrae aan te spreek, is navorsingsvaarte tydens somer- en wintermaande in die Atlantiese gedeelte van die Suidelike Oseaan (0 - 8°E) uitgevoer. ‘n Derde navorsingsvaart het tydens die winter in die Indiese gedeelte van die Suidelike Oseaan (30°E) plaasgevind. In die Atlantiese gedeelte is die metings van opgeloste (0.2 µm gefiltreerde seewater) Cu (dCu), Zn (dZn) and Ni (dNi), wat vir die eerste keer tydens die winter geneem is, vergelyk met die ooreenstemmende metings wat in die somer by dieselfde ligging geneem is. Die verskil in die verspreiding van die spoormetale was die duidelikste in die oppervlakmenglaag. Hier was die konsentrasies, wat in die winter gemeet is, deurgaans hoër as in die somer. Variasies in die seisoensgebondenheid van spoormetale is ook aan breedteligging verbind. Die veranderinge wat tydens die seisoenskommeling by die Subantarktiese Front (SAF; ~ 46°S) waargeneem is, was weglaatbaar klein vir al drie spoormetale. Die grootste variasies, tot 2.0 nmol kg⁻¹ vir dCu, 1.2 nmol kg⁻¹ vir dZn en 0.3 nmol kg⁻¹ vir dNi, is naby die suidelike reikwydte van die Antarktiese Sirkumpolêre Seestroom (ACC; ~ 54°S) waargeneem. Die hoofdryfveer van hierdie variasies was deur die verskil in biologiese aktiwiteit, met ‘n laer benutting van spoormetale in die winter. Die fitoplankton het in die winter suboptimale toestande vir groei ervaar, iets wat verder bevestig is deur die berekening van die verhoudings van spoormetale se opname en die skattinge rakende die produktiwiteit van die fitoplankton. Ons uitslae dui verder daarop dat die diepte- vermenging in die winter, m.a.w. die vermenging van die uitgeputte oppervlakwater van die oseaan van die somerseisoen met die dieper water wat verryk is met voedingstowwe, moontlik ‘n beduidende bron van dCu, dZn and dNi in die oppervlakwater van die oseaan uitmaak. Dit het implikasies vir fitoplanktonproduktiwiteit gedurende die daaropvolgende lente en somer. In die Indiese gedeelte van die Suidelike Oseaan (30°E lengtegraad), is die metings van dZn en opgeloste kadmium (dCd) wat in die winter gemeet is, verbind met partikulêre (> 0.45 µm filter) sink (pZn) en kadmium (pCd) in ‘n poging om spoormetaal-siklussering in die winter in meer diepte te ondersoek. Onmiskenbare veranderinge in die opgeloste en partikulêre Cd en Zn siklussering is tussen die verskeie frontale streke waargeneem. Dit is verwant aan die veranderinge in die samestelling van die fitoplanktongemeenskappe en die fisiese sirkulasiepatrone. Volgens ons data is diatomeë die hoofaandrywers van die gradiënte van die spoormetale se konsentrasies wat waargeneem is. Dit is oorwegend as gevolg van diatomeë se voorkeur vir die verbruik van dCd and dZn, relatief tot fosfaat (PO4) as die vername voedingstof in die Antarktiese Zone (AAZ). Hier word daar in die oppervlakwater van die oseaan waargeneem dat hoë verhoudings van dCd/PO4 en dZn/PO4 se opname lei tot hoë verhoudings van pCd en pZn tot fosfor. Uiteindelik beïnvloed die kenmerkende manier waarop diatomeë hierdie spoormetale opneem by hoër breedteliggings die siklussering van Cd en Zn by laer breedteliggings as gevolg van die noordwaartse vloei van die oppervlakwater van die oseaan wat uitgeput is aan dCd en dZn. Boonop verskaf die besinking van diatomeë tot onder die menglaag in die winter verdere insigte oor die aankoppeling wat tussen dZn en kieselsuur (Si(OH)4) waargeneem word, aangesien diatomeë kieselsuur benodig. Onder die oppervlak menglaag word die siklussering van Cd en Zn oorwegend deur hermineralisering, vertikale vermenging en opwelling beheer. Ons kom tot die gevolgtrekking dat die oppervlakwater van die Suidelike Oseaan nie in die winter biologies onaktief is nie en dat spoormetaal-siklussering gedurende die winter deur biologiese produktiwiteit beïnvloed word.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Bio-aktiewe spoormetale, insluitend koper (Cu), sink (Zn), nikkel (Ni) en kadmium (Cd), is noodsaaklike mikrovoedingstowwe vir mariene fitoplankton. Daar word getoon dat die beskikbaarheid van hierdie bio-aktiewe spoormetale in die oppervlakwater van die oseaan die fitoplanktongemeenskappe se samestelling en weligheid beïnvloed. Fitoplankton is die primêre dryfveer vir die mariene koolstofsiklus deur fotosintese. Die ontleding van die dinamika tussen spoormetale en fitoplankton, asook die ander biogeochemiese prosesse wat die verspreiding van spoormetale beheer, is kritiek tot die verstaan van die groter koolstofkringloop. Seisoenaal word daar minder aandag gegee aan spoormetaal-siklussering as gevolg van logistieke beperkinge, veral in die hoë breedtegraad oseaanstreke. In hierdie streke is die kanse groter dat die verspreiding van spoormetale direk of indirek beïnvloed word deur die groot seisoenale skommelinge in omgewingstoestande soos lig, wind en temperatuur. Derhalwe fokus hierdie studie op die Suidelike Oseaan waaroor daar ‘n skaarste aan data is en ondersoek dit die verspreiding en biogeochemiese siklussering van Cu, Zn, Ni en Cd in die somer en winter, twee seisoene met uiteenlopende omgewingstoestande vir die groei van fitoplankton. Hierdie raamwerk bied ‘n unieke geleentheid om die tydperk van herset tydens die winter in die Suidelike Oseaan te karakteriseer en die rol van diepte-vermenging in die winter as ‘n potensiële meganisme om ter plaatse spoormetale te voorsien wat produktiwiteit in die oppervlakwater van die oseaan bevorder, te bepaal. Ten einde hierdie vrae aan te spreek, is navorsingsvaarte tydens somer- en wintermaande in die Atlantiese gedeelte van die Suidelike Oseaan (0 - 8°E) uitgevoer. ‘n Derde navorsingsvaart het tydens die winter in die Indiese gedeelte van die Suidelike Oseaan (30°E) plaasgevind. In die Atlantiese gedeelte is die metings van opgeloste (0.2 µm gefiltreerde seewater) Cu (dCu), Zn (dZn) and Ni (dNi), wat vir die eerste keer tydens die winter geneem is, vergelyk met die ooreenstemmende metings wat in die somer by dieselfde ligging geneem is. Die verskil in die verspreiding van die spoormetale was die duidelikste in die oppervlakmenglaag. Hier was die konsentrasies, wat in die winter gemeet is, deurgaans hoër as in die somer. Variasies in die seisoensgebondenheid van spoormetale is ook aan breedteligging verbind. Die veranderinge wat tydens die seisoenskommeling by die Subantarktiese Front (SAF; ~ 46°S) waargeneem is, was weglaatbaar klein vir al drie spoormetale. Die grootste variasies, tot 2.0 nmol kg⁻¹ vir dCu, 1.2 nmol kg⁻¹ vir dZn en 0.3 nmol kg⁻¹ vir dNi, is naby die suidelike reikwydte van die Antarktiese Sirkumpolêre Seestroom (ACC; ~ 54°S) waargeneem. Die hoofdryfveer van hierdie variasies was deur die verskil in biologiese aktiwiteit, met ‘n laer benutting van spoormetale in die winter. Die fitoplankton het in die winter suboptimale toestande vir groei ervaar, iets wat verder bevestig is deur die berekening van die verhoudings van spoormetale se opname en die skattinge rakende die produktiwiteit van die fitoplankton. Ons uitslae dui verder daarop dat die diepte- vermenging in die winter, m.a.w. die vermenging van die uitgeputte oppervlakwater van die oseaan van die somerseisoen met die dieper water wat verryk is met voedingstowwe, moontlik ‘n beduidende bron van dCu, dZn and dNi in die oppervlakwater van die oseaan uitmaak. Dit het implikasies vir fitoplanktonproduktiwiteit gedurende die daaropvolgende lente en somer. In die Indiese gedeelte van die Suidelike Oseaan (30°E lengtegraad), is die metings van dZn en opgeloste kadmium (dCd) wat in die winter gemeet is, verbind met partikulêre (> 0.45 µm filter) sink (pZn) en kadmium (pCd) in ‘n poging om spoormetaal-siklussering in die winter in meer diepte te ondersoek. Onmiskenbare veranderinge in die opgeloste en partikulêre Cd en Zn siklussering is tussen die verskeie frontale streke waargeneem. Dit is verwant aan die veranderinge in die samestelling van die fitoplanktongemeenskappe en die fisiese sirkulasiepatrone. Volgens ons data is diatomeë die hoofaandrywers van die gradiënte van die spoormetale se konsentrasies wat waargeneem is. Dit is oorwegend as gevolg van diatomeë se voorkeur vir die verbruik van dCd and dZn, relatief tot fosfaat (PO4) as die vername voedingstof in die Antarktiese Zone (AAZ). Hier word daar in die oppervlakwater van die oseaan waargeneem dat hoë verhoudings van dCd/PO4 en dZn/PO4 se opname lei tot hoë verhoudings van pCd en pZn tot fosfor. Uiteindelik beïnvloed die kenmerkende manier waarop diatomeë hierdie spoormetale opneem by hoër breedteliggings die siklussering van Cd en Zn by laer breedteliggings as gevolg van die noordwaartse vloei van die oppervlakwater van die oseaan wat uitgeput is aan dCd en dZn. Boonop verskaf die besinking van diatomeë tot onder die menglaag in die winter verdere insigte oor die aankoppeling wat tussen dZn en kieselsuur (Si(OH)4) waargeneem word, aangesien diatomeë kieselsuur benodig. Onder die oppervlak menglaag word die siklussering van Cd en Zn oorwegend deur hermineralisering, vertikale vermenging en opwelling beheer. Ons kom tot die gevolgtrekking dat die oppervlakwater van die Suidelike Oseaan nie in die winter biologies onaktief is nie en dat spoormetaal-siklussering gedurende die winter deur biologiese produktiwiteit beïnvloed word.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Biogeochemistry -- Southern Ocean, Trace metals -- Antarctic -- Southern Ocean, Antarctica -- Southern Ocean -- Environmental conditions, Phytoplankton -- Geographical distribution -- Maps, Global environmental change, Biogeochemical cycles -- Antarctic Ocean, UCTD