The influence of marine phytoplankton on iodine speciation in the Tropical and Southern Atlantic Ocean

Bluhm, Katrin

The role of halogene species like iodine in the ocean and how their speciation is affected by marine organisms is not well known. This lack of knowledge demands for more detailed field as well as experimental studies in order to unravel the role of iodine in marine ecosystems. My thesis comprises field work on the iodine speciation in polar and tropical marine environments complemented by a set of laboratory experiments on the role of phytoplankton species from the two regions studied for the iodine biogeochemical cycle. A large scale survey across the Atlantic sector of the Southern Ocean and three cruises to the Mauritanian upwelling region during both strong and weak upwelling seasons provide valuable information on iodine speciation over large spatial scales in case of the former survey, and on seasonal variability in case of the latter cruises. Furthermore, comparison of these two oceanic provinces will allow to decipher differences and conformities in iodine speciation between areas as far apart as the Southern Ocean and the Mauritanian upwelling region. In both provinces the total iodine (iodate + iodide) concentrations were in the same range between 450-480nmol L-1, while surface iodide values in the euphotic zone varied considerably and showed a steep vertical concentration gradient of less than 20nmol L-1 for antarctic and over 200nmol L-1 for tropical waters. In seawater the interconversion of the two inorganic forms of iodine, iodate and iodide, can be mediated by abiotic and/or biotic processes. The accumulation of iodide in the euphotic zone in both regions is suggested to be a more biologically mediated process and as observed in the experimental studies phytoplankton cells do influence the iodate reduction to iodide. However, highest iodide concentrations were not coupled to highest biological productivity instead we observed highest iodide values during post bloom periods in the respective regions indicating a strong relationship between iodide production and phytoplankton senescence during bloom collapse. Interestingly, productive regions with high phytoplankton biomass measured as chlorophyll-a show a decline in surface iodide and also the experimental study revealed an iodide decline in cultures with viable cells suggesting that an iodide oxidation or uptake mechanism is present when cells are in the exponential growth phase. Upwelled water was lower in surface iodide compared to water from a weak-upwelling scenario, and could on one hand be traced by its lower iodide concentrations while in the Weddell Sea Basin we observed elevated iodide in the deep Weddell Sea Bottom Water (WSBW) which could be traced on the other hand by its elevated iodide concentrations. From these results it appears that iodide can be used as a tracer for upwelled water on continental shelves and for newly formed WSBW. From the results gained in the laboratory we can say that iodide formation and senescence in phytoplankton cells are coupled. Iodide production was found to be species specific and not related to chlorophyll-a, cell size or cell numbers. Moreover iodide concentrations peaked in the stationary and/or senescence growth phase. A shift from senescence back to the exponential growth phase resulted in a decline in iodide concentrations indicating that phytoplankton mediated oxidation of iodide to iodate was triggering this shift. In summary, the results of my thesis show that the combined effects of abiotic and biotic processes resulting in iodate reduction are coupled via phytoplankton senescence. These findings challenge the conventional view, as described in other studies, that iodate reduction in the ocean is directly coupled to nutrient uptake and biological production.

Die Bedeutung von Halogen-Verbindungen wie Jod im Stoffkreislauf der Ozeane und die Rolle mariner Organismen für die Steuerung dieser Kreisläufe ist noch weit gehend unerforscht. Diese Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis der Bedeutung von Jod in marinen Ökosystemen durch eingehende Feld- und Laborstudien. Meine Arbeit enthält Felddaten von jodhaltigen Verbindungen aus polaren und tropischen Meeresgebieten die durch Laborexperimente mit verschiedenen Phytoplankton-Arten aus den jeweiligen Meeresgebieten vervollständigt wurden. Die Laborexperimente haben gezeigt, dass alle untersuchten Phytoplankton-Arten an der Umwandlung von Jodat zu Jodid beteiligt sind und somit Phytoplankton-Blüten eine maßgebliche Bedeutung für den Jodkreislauf im Ozean haben. Die großflächigen Messungen im atlantischen Sektor des Südpolarmeeres erlaubten einen umfassenden Überblick über die Verteilung von Jod-Verbindungen in diesem Gebiet wohingegen drei Expeditionen ins Mauretanische Auftriebsgebiet wichtige Erkenntnisse über die saisonale Variabilität von Jod lieferten. Durch den Vergleich dieser beiden Meeresgebiete konnten sowohl die Gemeinsamkeiten als auch die Unterschiede in der Verteilung und relativen Zusammensetzung der Jod Verbindungen aufgezeigt werden. Die gegenseitige Umwandlung der beiden inorganischen Formen von Jod im Seewasser, Jodat und Jodid, kann über biotische oder abiotische Prozesse erfolgen. Eine Gemeinsamkeit der beiden oben genannten Meeresgebiete ist die Jod-Gesamtkonzentration (Jodat + Jodid) von 450-480nmol L-1, wohingegen große Unterschiede in der Oberflächenkonzentration von Jodid von weniger als 20nmol L-1 im Südpolarmeer und mehr als 200nmol L-1 in tropischen Gewässern bestehen. Die Akkumulation von Jodid in der euphotischen Zone wird in erster Linie durch biologische Prozesse angetrieben. Wir können dieses anhand unserer Laborexperimente bestätigen in denen ersichtlich wird, dass Phytoplankton die Umwandlung von Jodat zu Jodid stark begünstigt. Allerdings, konnten wir nicht feststellen, dass erhöhte Jodid-Werte an hohe Primärproduktionsraten gekoppelt sind. Vielmehr wurden die höchsten Jodid-Konzentrationen in beiden Meeresgebieten gegen Ende der Blüte gemessen. Diese Beobachtung deutet auf einen Zusammenhang zwischen der Jodid-Produktion und absterbenden Phytoplanktonzellen während des Zusammenbruchs einer Blüte hin. Interessanterweise zeigen Regionen in denen die höchste biologische Produktion stattfindet einen Rückgang in der Konzentration von Jodid-Ionen an der Meeresoberfläche. Diese Feldbeobachtungen konnten durch Laborexperimente bestätigt werden, bei denen die Jodid-Konzentration in wachsenden und gesunden Zellkulturen abnahm. Dies legt die Vermutung nahe, dass Zellen die sich in der exponentiellen Wachstumsphase befinden Jodid oxidieren können. Während Auftriebsereignissen vor Mauretanien wird mit Jodid angereichertes Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche transportiert. Außerhalb der Auftriebssaison sind die Jodid-Konzentrationen im Oberflächenwasser hingegen angereichert. Die niedrigeren Jodid-Konzentrationen während Auftriebsereignissen können daher als „Tracer“ bestimmter Wassermassen verwendet werden. Das gleiche gilt für die erhöhten Jodid-Konzentrationen im Tiefenwasser des Weddellmeeres, wobei Jodid hier anhand seiner erhöhten Konzentrationen verfolgt werden kann. Aufgrund dieser Beobachtungen liegt die Vermutung nahe, dass Jodid als „Tracer“ für Auftriebsereignisse aber auch für die Entstehung von Bodenwasser im Weddellmeer verwendet werden kann. Die Laborexperimente haben gezeigt, dass die Entstehung von Jodid an den Zelltod von Phytoplankton gekoppelt ist, wobei die Entstehung abhängig von der Art ist und nicht in Zusammenhang mit Chlorophyll-a-Gehalt, Zellzahlen oder Zellgröße steht. Die höchsten Jodid-Werte wurden immer in der stationären Wachstumsphase bzw. während des Absterbens der Zellen beobachtet. Versetzt man Zellen aus der absterbenden Phase zurück in die exponentielle Phase kann man einen Rückgang in den Jodid-Konzentrationen feststellen, was auf einen Jodid-Oxidationsprozess hindeutet. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse alle darauf hin, dass die biotischen und abiotischen Prozesse der Jodat-Reduktion miteinander über den Zusammenbruch von Phytoplankton-Blüten verknüpft sind. Bisher hat man angenommen, dass die Jodat-Reduktion direkt mit der Nährstoffaufnahme und der biologischen Produktion gekoppelt ist, welches durch unsere Entdeckungen nun in Frage gestellt ist.

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Bluhm, Katrin: The influence of marine phytoplankton on iodine speciation in the Tropical and Southern Atlantic Ocean. 2010.

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