Shedding light on the role of the prokaryotic assemblage in the biogeochemical cycles of the dark ocean

Abstract

Los procariotas son la piedra angular que sustenta los ciclos biogeoquímicos oceánicos. Debido a las extremas condiciones abióticas (alta presión, baja temperatura y poca disponibilidad de materia orgánica) características del océano oscuro (> 200 m de profundidad), se asumía que era un lugar donde imperaba una insignificante actividad biológica, distribuida homogéneamente. A ello se debe que la mayor parte de la investigación realizada concerniente a la ecología de los procariotas se ha limitado a las aguas superficiales, olvidando el estudio del mayor hábitat de la biosfera: el océano oscuro. En el presente estudio hemos contribuido a desgranar el papel que juegan los procariotas del océano profundo en los ciclos biogeoquímicos marinos. La distribución del pool de materia orgánica (disuelta y particulada), la estructura de la comunidad procariota, la abundancia y el metabolismo (producción heterotrófica, respiración, actividad enzimática extracelular) fueron analizados a lo largo de la columna de agua del Atlántico Norte en seis campañas. Encontramos que el océano oscuro juega un papel clave en los procesos relacionados con la remineralización del carbono (presentando a veces la misma actividad por célula que la zona epipelágica), encontrándose lejos de ser un ecosistema no activo, homogéneamente distribuido. Esa heterogeneidad encontrada en el océano oscuro parece estar controlada por un efecto “bottom-up”, donde la distribución de la materia orgánica particulada suspendida controla la actividad procariota. Esta fuerte asociación entre partículas suspendidas y procariotas del océano profundo facilitaría interacciones sinérgicas en el ciclo de la materia del océano oscuro. Por último, también encontramos que el enigmático desequilibrio existente entre el aporte de carbono orgánico al océano oscuro y la demanda de carbono de los procariotas mesopelágicos puede ser reducida en gran medida cuando se tiene en cuenta la fijación de carbono inorgánico disuelto (CID). Nuestros números indican que el hundimiento de carbono orgánico particulado sólo cubre un 4-12% de la cantidad de carbono orgánico requerido diariamente, mientras que la fijación oscura mesopelágica de CID puede aportar un 12-72% de este requerimiento procariota. Resumiendo, esta tesis contribuye a arrojar luz sobre el crucial papel que juegan los procariotas del océano oscuro en los ciclos biogeoquímicos globales, sugiriendo que los microbios del océano profundo son protagonistas esenciales en el ciclo de materia de la biosfera.

Prokaryotes are the cornerstone mediating the oceanic biogeochemical cycles. Due to the typical extreme abiotic conditions (e.g. high pressure, low temperature, low availability of organic matter) found in the dark ocean (> 200 m depth), it was generally assumed to be a site holding negligible, homogeneously-distributed biological activity. That is why most of the research done concerning the ecology of prokaryotes have been carried out in surface waters, further leaving behind the study of the largest habitat in the biosphere: the dark ocean. In this study we assessed the actual role of the deep-sea prokaryotes in the marine biogeochemical cycles. The distribution of the organic matter pool (dissolved and particulate), the prokaryotic assemblage structure, abundance and metabolism (heterotrophic production, respiration, extracellular enzymatic activity) were analyzed along the water column of the North Atlantic, in six different research cruises. We found that the dark ocean plays a key role in the carbon mineralization processes (sometimes being, on a per-cell level, as active as the epipelagic waters), being far from a homogenously-distributed non-active ecosystem. The heterogeneity found in the dark ocean seemed to be controlled by a “bottom-up” effect, where the suspended particulate organic matter distribution modulates the prokaryotic activity. This stronger association between suspended particles and deepsea prokaryotes than assumed hitherto, would facilitate synergistic interactions in the cycling of matter in the dark ocean. Finally, we also found that the enigmatic imbalance between the organic carbon supply to the dark ocean and the mesopelagic prokaryotic carbon demand could be greatly reduced when taking into account the dissolved inorganic carbon (DIC) fixation. Our numbers indicates that the sinking particulate organic carbon could only account for 4-12% of the daily-required organic carbon, while the mesopelagic dark fixation of DIC can supply 12% to 72% of this prokaryotic carbon demand. Overall, this thesis contributes to shed light on the actual paramount role that dark ocean’s prokaryotes play in the global biogeochemical cycles, suggesting that the deep-sea microbes are principal characters in the material cycling of the biosphere.