Nitrogen Isotopes in the Atlantic and Pacific Oxygen Minimum Zones

Ryabenko, Evgenia

As a limiting element for biological productivity, nitrogen occupies a central role in ocean biogeochemistry. It exists in more chemical forms than most other elements, with a myriad of chemical transformations that are unique to this element. Nearly all these transformations are undertaken by marine organisms as part of their metabolism, which involves isotopic fractionation. Thus stable isotopes of nitrogen carry important information on sources and sinks of nitrogen and its transformation within the oceanic cycle. This dissertation focused on the nitrogen cycle in two very different ocean regions: the Eastern Tropical North Atlantic and the Eastern Tropical South Pacific. These two basins are associated with Oxygen Minimum Zones (OMZs), which have a great influence on the global nitrogen cycle. The first part of the thesis describes the method used for nitrogen isotope measurement. The method was used to contrast the two OMZs, to investigate what processes are dominating in each of them and how they influence the global nitrogen cycle. The nitrogen cycle in the Atlantic OMZ is dominated by nitrification and dust deposition, which could be detected in nitrogen isotope (δ15N) signatures. In the Pacific OMZ, effects of nitrogen loss processes were most pronounced. The nitrogen fractionation factor, however, was much smaller than expected (11.4 ‰ instead of 20 – 30‰), which was most probably was an effect of denitrification in sediments. The last two parts are devoted to the Pacific OMZ nitrogen cycle. δ15N in water column and surface sediments showed a parallel latitudinal increase from north to south along the Peru margin, which correlates with intensification of the OMZ. From water column data it was showed that N-loss processes indirectly influence the δ15N found in the surface sediments (δ15Nsed). Latitudinal distribution of δ15Nsed along the South American coast, however, showed a very good correlation with surface water nitrogen utilization, outshining N-loss processes. [...]

Stickstoff nimmt als ein limitierender Faktor in der biologischen Produktivität eine zentrale Rolle in der Biogeochemie des Ozeans ein. Die enorme Vielfalt der chemischen Verbindungen und Transformationen, an denen Stickstoff beteiligt ist, ist im Gegensatz zu vielen anderen Elementen einzigartig. Bei nahezu allen Stoffwechselprozessen mariner Organismen findet eine Isotopenfraktionierung statt. Folglich können durch stabile Isotope des Stickstoffs wichtige Rückschlüsse auf Quellen, Senken und Transformationen von Stickstoff innerhalb des Kreislaufes des Ozeans gezogen werden. Diese Dissertation untersucht speziell den Stickstoffkreislauf an zwei unterschiedlichen Regionen des Ozeans: den östlichen tropischen Nordatlantik und den östlichen tropischen Südpazifik. Diese zwei Regionen sind unteranderem bekannt für sauerstoffarme Zonen (OMZs), welche einen großen Einfluss auf den globalen Stickstoffkreislauf haben. Zu Beginn der Arbeit wird die Methode zur Messung von Stickstoffisotopen beschrieben. Mit dieser Methode wurden die beiden OMZs soweit miteinander verglichen, dass eine Aussage über die dominierenden Prozesse in den jeweiligen Regionen und deren Auswirkungen auf den globalen Stickstoffkreislauf getroffen werden konnte. In der atlantischen OMZ dominieren Nitrifikation und die Ablagerung von Wüstenstaub den Stickstoffkreislauf, welches durch die Bestimmung des δ15N Isotops festgestellt wurde. In der pazifischen OMZ lag der Schwerpunkt auf den Effekten der stickstoffreduzierenden Prozesse. Allerdings stellte sich ein kleinerer Fraktionierungsfaktor für Stickstoff als erwartet heraus (11.4‰ anstatt 20-30‰), was höchstwahrscheinlich für eine Denitrifikation im Sediment spricht. Die letzten zwei Abschnitte der Arbeit sind der pazifischen OMZ gewidmet. Die Konzentration von δ15N in der Wassersäule und in der Sedimentoberfläche zeigt einen zu den Breitengraden parallelen Anstieg von Norden nach Süden entlang der peruanischen Küste, was durchaus mit der Verstärkung der OMZ korreliert. [...]

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Ryabenko, Evgenia: Nitrogen Isotopes in the Atlantic and Pacific Oxygen Minimum Zones.

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