Effects of sea surface warming, irradiance, and grazer abundance on organic matter cycling in a plankton community

Biermann, Antje

Ocean warming affects all components of the food-web. Autotrophic processes, however, are less temperature sensitive than those conducted by heterotrophs, and changes in their balance can thus be expected, likely changing biogeochemical cycling in the oceans. The combined response of all food-web processes to temperature and other factors will thus determine the future direction of the biological carbon pump, which transports photosynthetically fixed CO2 to deeper parts of the ocean via sinking biogenic particles or dissolved organic matter. The aim of this study was to investigate the temperature-dependent partitioning of organic matter between dissolved and particulate matter pools and the changes in their stoichiometry, with emphasis on the impact of changes in irradiance or zooplankton abundance. To elucidate these questions, indoor-mesocosm studies were conducted with natural winter plankton communities from Kiel Bight (Baltic Sea) containing all trophic levels from bacteria to mesozooplankton. Chapter 1 addresses the effects of temperature in combination with different irradiance levels. Rising temperature accelerated the production rate of particulate and dissolved organic matter (POM and DOM), while light intensity played a comparatively minor role for the bloom development. Maximum accumulation of POM was significantly reduced at elevated compared to ambient temperature. Although, heterotrophic loss processes were enhanced by temperature, also an increased formation of transparent exopolymer particles (TEP) was observed. This suggests that in a warmer ocean the accumulation of POM is controlled by two counteracting mechanisms: 1) enhanced heterotrophic remineralization processes, leading to a weakening of the biological pump; and 2) enhanced particle aggregation due to TEP and strengthened transport of POM to deeper parts of the ocean. Chapter 2 describes the effects of temperature in combination with three different overwintering zooplankton grazer (copepod) densities. Increasing copepod abundance decreased the ratio of particulate organic carbon to nitrogen and phosphorus. DOC was positively affected by temperature, but when normalized to Chlorophyll a concentration, showed a tendency to decrease with increasing copepod abundance. This study indicates that the enhanced inorganic carbon consumption relative to N and P by phytoplankton under nutrient stress, which was suggested for a warmer sea surface ocean, could be counteracted by the effect of consumer-driven nutrient recycling. Chapter 3 is a comparative data analysis that aims to identify recurrent patterns of biogeochemical parameters in response to an increase in water temperature. Warming stimulated heterotrophic bacterial processes in particular and had an accelerating effect on the temporal development of phytoplankton blooms. Warming increased the rate of POM and DOC accumulation, whereas the magnitude of POM decreased with rising temperature. Chapter 4 presents results on the effects of high and low light conditions during the months January and February. It was shown that it was possible to induce a diatom phytoplankton bloom in January, comparable to one in February. POM accumulation increased with increasing light levels, whereas DOM, TEP and “Coomassie stainable particles (CSP) remained unaffected by the different irradiance levels. However, CSP were found to occur at the same magnitude and size as TEP and might hence be as important for the partitioning of N as TEP are for the partitioning of C, and should receive more attention in future studies on organic matter cycling. The results presented here show that temperature induced changes in biogeochemical cycling can have strong implications for the biological pump, which plays a vital role in Earth’s climate. Additionally, they demonstrate the strong potential for interactive effects by the interplay of temperature with changes in irradiance and grazer abundance.

Die Ozeanerwärmung betrifft alle Komponenten des Nahrungsnetzes. Jedoch sind autotrophe Prozesse weniger stark temperaturabhängig als heterotrophe, weswegen eine Verschiebung in deren Balance erwartet wird, mit Auswirkung auf die biogeochemischen Abläufe im Meer. Nur die Gesamtantwort aller Nahrungsnetzprozesse auf die Erwärmung im Zusammenspiel mit anderen Faktoren bestimmt die zukünftige Entwicklung der biologischen Pumpe, die das durch Photosynthese fixierte CO2 in Form von sinkenden biogenen Partikeln und gelöstem organisches Material in die Tiefe transportiert. Ziel dieser Studie ist die Untersuchung der temperaturabhängigen Verteilung von organischem Material zwischen gelösten und partikulären Phasen und Änderungen in dessen Stöchiometrie, in Kombination mit den Faktoren Licht und Zooplanktonabundanz. Dafür kamen Mesokosmen in Klimakammern mit natürlichen Winter-Planktongemeinschaften der Kieler Bucht (Ostsee) zum Einsatz, die alle trophischen Stufen von Bakterien bis zum Mesozooplankton beinhalteten. Kapitel 1 beleuchtet die Effekte einer Temperaturerhöhung in Kombination mit verschiedenen Lichtintensitäten. Eine Temperaturerhöhung beschleunigte die Produktionsraten von partikulärem und gelöstem organischem Material (POM und DOM), während die Lichtintensität eine vergleichsweise geringere Rolle für die Blütenentwicklung spielte. Der maximale Aufbau von POM fiel bei erhöhter Wassertemperatur signifikant geringer aus. Obwohl es eine temperaturbedingte Verstärkung der heterotrophen Verlustprozesse gab, konnte auch eine verstärkte Bildung von transparenten exopolymeren Partikeln (TEP) beobachtet werden. Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass in einem zukünftigen wärmeren Ozean zwei gegensätzliche Prozesse die Akkumulation vom POM steuern werden. Zum einen schwächt erhöhte Remineralisierung die biologische Pumpe, zum anderen wird die Aggregatbildung durch TEP und der Transport von POM in tiefere Schichten des Meeres verstärkt. Kapitel 2 beschreibt Temperatureffekte in Kombination mit verschiedenen Dichten von überwinterndem Zooplankton (Copepoden). Steigende Copepodenzahlen senkten das Verhältnis von partikulärem organischem Kohlenstoff zu Stickstoff (N) und Phosphor (P). Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) stieg bei höherer Wassertemperatur, sank aber tendenziell pro Chlorophyll a mit steigender Copepodendichte. Der durch die Erwärmung vermutete erhöhte Verbrauch anorganischen Kohlenstoffes, im Vergleich zu N und P bei Nährstoffmangel, könnte somit durch konsumentengetriebene Nährstoffregenerierung verringert werden. Kapitel 3 ist eine vergleichende Datenanalyse mit dem Ziel, wiederkehrende Muster biogeochemischer Parameter in Hinblick auf eine Wassertemperaturerhöhung zu ermitteln. Die Erwärmung stimulierte insbesondere heterotrophe bakterielle Prozesse und hatte einen beschleunigenden Effekt auf die temporale Entwicklung der Phytoplanktonblüte. Die Erwärmung beschleunigte ebenso die Raten der POM und DOC Akkumulation, während die Gesamtakkumulation von POM verringert war. In Kapitel 4 werden die Ergebnisse der Auswirkung hoher und geringer Lichtintensitäten während der Monate Januar und Februar auf die Planktongemeinschaft dargestellt. Es wird gezeigt, dass bereits im Januar eine Blüte vergleichbar mit einer im Februar möglich ist. Die POM-Akkumulation stieg mit der Lichtintensität, während DOM unbeeinträchtigt blieb, ebenso wie TEP und „Coomassie stainable particles“ (CSP). Jedoch war die Anzahl und Größe der CSP vergleichbar mit TEP, weswegen CSP für die Verteilung von N ähnlich bedeutsam sein könnten wie TEP für die von C und in zukünftigen Studien mehr Beachtung finden sollten. Zusammenfassend zeigt sich, dass sich durch die temperaturbedingten Veränderungen in der Biogeochemie starke Auswirkungen auf die biologische Kohlenstoffpumpe ableiten lassen, die entscheidend das Klima der Erde mit beeinflusst. Es zeigt sich aber auch das große Potential für die interaktiven Effekte, die aus dem Zusammenspiel einer Temperaturerhöhung mit veränderten Lichtbedingungen und der Abundanz von Grazern entstehen können.

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Biermann, Antje: Effects of sea surface warming, irradiance, and grazer abundance on organic matter cycling in a plankton community. 2014.

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