Links Between Dimethylated Sulfur and Phytoplankton Photophysiology in the Surface Ocean Geographical Paterns and Short-Term Variability

Abstract

[eng] Dimethylsulfide (DMS) and its algal metabolite precursor, dimethylsulfoproprionate (DMSP), are major players in the oceanic and atmospheric sulfur cycle. DMS is the most abundant volatile organic sulfur compound in the upper ocean and its global emission accounts ca. 28 Tg S per year, thus representing the main natural source of sulfur to the troposphere and about 30% of the global (including anthropogenic) sulfur emissions. DMS cycle has been the subject of hundreds of studies over the last 27 years because of its hypothesized role in climate regulation (CLAW hypothesis), where it has been postulated to regulate the number of cloud condensation nuclei over the oceans and hence reduce the total amount of solar radiation reaching the Earth's surface. However, this simplistic view has not been proven so far as the relationship between oceanic DMS concentrations and solar radiation is complex and involves several different actors. Both DMS and DMSP (hereafter referred together as DMS(P)) concentrations are variable in the surface ocean and physics, chemistry and biology in the photic upper layer all play important roles in their cycling, from DMSP biosynthesis to DMS ventilation, with their relative importance varying amongst the diversity of biomes and pelagic ecosystem settings encountered in the world's oceans. Hence, predicting DMS at a global scale needs an intricate understanding of processes affecting its cycle at all temporal and spatial scales. The premise of the thesis is to contribute to a better understanding of the different physical, chemical and biological drivers that shape the DMS(P) cycle in polar, tropical and sub- tropical oceanic environments from very short to longer term temporal scales. This work combines an extensive database of DMS measured at low and high frequency, in different regions and across environmental gradients, and at temporal scales that span from minutes to seasons. In the short term (minutes to hours) , exposure to UVR seems to play an important role in the physiological response of phytoplankton cells and DMS(P) production. Solar radiation also dictates the pace of variability in DMS concentration over diel (day-night) cycles, where DMS seems to be surprisingly coupled to photobiological clocks. However, while gross biological DMS production generally increases with light exposure, concentration depends on the net effect of production and losses by photolysis, microbial consumption and ventilation. As a result, no single pattern for diel DMS oscillations is valid for the global oceans. Extensive data gathering across many biogeographical provinces in the tropical and subtropical oceans confirmed that DMS distribution is better explained by abiotic factors (solar radiation, vertical mixing, light absorption by organic matter) and phytoplankton physiology (efficiency of photosystem II) than by indicators of plankton abundance and general activity. Our work also shows that inferences about the causes of the variability of DMS depend on the frequency of the data collection. During a circumnavigation cruise, data collected at low frequency translated into relatively low variation factor (5.1) within individual biogeochemical provinces. In contrast, high frequency data revealed much higher variation factor (96) because of the capture of sub-mesoscale variability. Statistical work on high frequency data showed that critical variability distances for DMS average 15 and 50 km for coastal and open ocean marine provinces, respectively. DMS distribution patchiness increases with productivity and latitude, with important implication for designing fieldwork and computational mapping of DMS concentration and emissions. Overall, this thesis sheds light on the complex interplay of physical, chemical and biological variables in the DMS cycle and emphasizes the difficulty of finding simple environmental drivers of quantitative applicability at global scales.

[cat] El dimetilsulfur (DMS) i el seu precursor algal dimetilsulfoniopropionat (DMSP) són part fonamental del cicle del sofre als oceans i l’atmosfera. El DMS és el compost volàtil de sofre més abundant a l’oceà superficial, que n’emet a l’atmosfera una quantitat aproximada de 28 Tg S l’any. Això representa la principal font natural de sofre a la troposfera, i aproximadament un terç de l’emissió global de sofre, incloent-hi l’antropogènica. El cicle del DMS ha estat objecte de centenars d’estudis en els darrers 27 anys, motivats sobretot per la hipòtesi CLAW que proposava que el DMS és la principal font de nuclis de condensació de núvols sobre els oceans i, d’aquesta manera, ajuda a regular la quantitat de radiació solar que arriba a la superfície de la Terra i, de retruc, el clima. Aquesta hipòtesi, avui vista com a simplista, no s’ha arribat a provar totalment, sobretot perquè la relació entre radiació solar i concentració i emissió de DMS és complexa i hi intervenen múltiples factors. Tant la concentració del DMS com la del DMSP (que referim conjuntament com a DMS(P)) varien força en l’oceà superficial com a resultat de processos que van de la biosíntesi del DMSP a la ventilació del DMS. Aquests processos, a la vegada, responen a factors i actors físics, químics i biològics, la importància relativa dels quals varia entre biomes i configuracions de l’ecosistema pelàgic. Com a conseqüència, predir la distribució del DMS a escala global demana un coneixement profund de tots els processos implicats, a totes les escales temporals i espacials. L’objectiu general de la tesi és contribuir a conèixer millor els factors físics, químics i biològics que governen el cicle dels DMS(P) en aigües polars, subtropicals i tropicals a escales temporals molt diverses. El treball combina una base de dades extensa de mesures de DMS obtingudes a baixa i alta freqüència, en regions diverses, a través de gradients ambientals, i d’escales de temps que van des dels minuts fins a les estacions de l’any. A més curt termini (minuts a hores), l’exposició a la llum UV sembla jugar un paper important en la resposta fisiològica del fitoplàncton i la subseqüent producció de DMS(P). La radiació solar també dicta el ritme de variació de la concentració de DMS en cicles dia-nit, en què el DMS es mostra sorprenentment acoblat amb els rellotges fotobiològics. Tanmateix, malgrat que la producció biològical bruta de DMS generalment augmenta amb l’exposició a la llum, la concentració depèn de l’efecte net d’aquesta producció amb les pèrdues per fotòlisi, consum microbià i ventilació. Al capdavall, no sembla que hom pugui definir un patró d’oscil·lació dia-nit únic per al DMS a l’oceà global. L’obtenció de dades en moltes províncies oceàniques tropicals i subtropicals va confirmar que la distribució del DMS s’explica millor amb factors abiòtics tals com la radiació solar, la barreja vertical, l’absorció de la llum per la matèria orgànica, i també per factors de fisiologia de fitoplàncton, com l’eficiència del fotosistema II, més que amb els indicadors d’abundància i activitat general del plàncton. El treball mostra també que les inferències que hom pugui fer sobre les causes de variabilitat de la concentració del DMS depenen força de la freqüència d’observació. En una campanya de circumnavegació, les mesures fetes a baixa freqüència mostraven, per a una província donada, una amplitud de variació d’un factor de 5. En la mateixa província, les mesures d’alta freqüència mostraven una amplitud d’un factor de 96, perquè capturaven la variabilitat de mesoescala i submesoescala. L’anàlisi estadística de les dades d’alta freqüència va mostrar que les distàncies de variabilitat crítiques per al DMS eren de 15 i 50 km per aigües més costaneres i més oceàniques, respectivament. Les distàncies d’heterogeneïtat en la distribució del DMS es fan més curtes amb la latitud i com més productives són les aigües. Això té implicacions importants en el disseny de treball de camp i en els esforços de ‘mapejat’ computacional. En conjunt, la tesi aporta llum a la complexitat de les interaccions que intervenen en el cicle del DMS, i ressalta la dificultat de trobar una relació simple que permeti predir la concentració i emissió del DMS en qualsevol punt de l’oceà global a partir de variables ambientals conegudes.