Caracterización de la Materia Orgánica Particulada de la Fosa de Atacama Mediante Lípidos Polares Intactos e Isótopos Estables.

Abstract

Los sedimentos superficiales de la zona hadal (>6000 m) presentan ~20% más de concentraciones de materia orgánica (MO) en comparación con el fondo marino abisal (3500- 6000 m) circundante. Sin embargo, el origen de este material biológico sigue siendo incierto. En este trabajo, evaluamos las fuentes de MO lábil en el fondo marino hadal a través de la composición y distribución de los lípidos polares intactos (IPL) de las membranas celulares microbianas extraídas de los sedimentos superficiales de los puntos más profundos de la Fosa de Atacama y del margen batial adyacente. Además, investigamos las fuentes de MO en los sedimentos superficiales hadales utilizando un modelo de mezcla basado en las señales isotópicas del carbono orgánico y el nitrógeno total, tomando como fuentes de origen potenciales a las distintas zonas de la columna de agua y de los sedimentos batiales. Complementamos nuestros análisis con información satelital de carbono orgánico particulado (POC) superficial (0 m) y subsuperficial (1000 m), y flujos teóricos de POC desde la superficie hasta la zona hadal. En este estudio, se analizaron nueve sedimentos superficiales hadales (0-1 cm) y subsuperficiales (1-2 y 2-3 cm) en tres sitios entre 7,734 y 8,063 m de profundidad colectados durante el crucero HADES-SO261 (marzo a abril de 2018) a bordo del R.V. Sonne (Wenzhöfer, 2019) y siete sedimentos superficiales batiales (siete sitios; entre 529-1,200 m de profundidad) colectados durante el crucero ChiMeBo-SO211 (2-29 de noviembre de 2010) a bordo del R.V. Sonne (Matys et al., 2017). Además, comparamos nuestros resultados de IPLs en sedimentos con los resultados de IPL de la columna de agua suprayacente (0-700 m) reportados en Cantarero et al. (2020). Esto incluye MO en suspensión fraccionada por tamaño (0,3-2,7 y 2. 7-53 µm) en dos estaciones y desde seis profundidades de agua que son representativas de la zonación biogeoquímica dominante asociada con la zona deficiente de oxígeno (ODZ) de esta región: el máximo de clorofila (∼ 10 m), la quimioclina superior (∼ 25 m), la quimioclina inferior (∼ 45 m), ODZ superior (∼ 60 m), el núcleo de ODZ (∼ 250 m), y la zona mesopelágica (∼ 750 m). Además, las muestras de sedimentos colectadas en ambos cruceros (i.e. HADES-SO261 y ChiMeBo-SO211) también fueron utilizadas para análisis de isótopos estables y comparadas con data disponible de trampas de sedimento profundas de la región de Atacama a 2,300 y 3700 m de profundidad, reportadas previamente en Hebbeln et al. (2000) y González et al. (2004), respectivamente. En el Capítulo 1 investigamos la diversidad química y la abundancia de IPL microbianas como marcadores de una de las fracciones moleculares más lábiles de la MO en los sedimentos más profundos de la Fosa de Atacama. Más concretamente, evaluamos la posible procedencia de IPLs de origen de producción in situ vs. transporte alóctono y la presencia de señales únicas de IPL de la comunidad microbiana, así como la evidencia de adaptaciones moleculares (i.e., cambios en la estructura química de los IPLs) a las condiciones extremas de la región hadal. Los resultados sugieren que los IPLs bacterianos y eucariotas en los sedimentos hadales superficiales de los puntos más profundos de la Fosa de Atacama comparten características con los presentes en sedimentos batiales y difieren de los encontrados en las partículas suspendidas de los 750 m superiores de la columna de agua, incluyendo la ODZ. Esto indica que (a) la mayoría de los IPLs abundantes en la columna de agua superior se degradan casi por completo durante su descenso al fondo marino hadal y (b) los IPLs encontrados en los sedimentos hadales se derivan predominantemente de comunidades microbianas in situ. Además, las elevadas proporciones de ácidos grasos insaturados/saturados en los sedimentos hadales son probablemente indicativos de la adaptación homeoviscosa de estos organismos a la alta presión y las bajas temperaturas presentes en este ambiente, lo que les permiten mantener la fluidez de sus membranas celulares. En el Capítulo 2 realizamos un análisis exhaustivo de los isótopos estables de la MO para rastrear las fuentes de carbono y nitrógeno en la columna de agua y en los sedimentos superficiales batiales y hadales. Además, evaluamos las contribuciones relativas de la POM y la exportación de partículas que conectan la productividad del océano superficial iluminado por el sol con la zona crepuscular y el fondo marino hadal. Utilizando un modelo de mezcla basado en la señal isotópica del carbono orgánico y el nitrógeno total en la POM pelágica y la MO sedimentaria, calculamos que ~75% de la POM presente en los sedimentos superficiales de la Fosa de Atacama podría derivar de los sedimentos batiales. Cuando se excluye el sedimento batial del modelo, calculamos que ~68% de la MO en los sedimentos hadales podría derivar de la región epipelágica (<200 m). En particular, los flujos verticales de POC que mejor se ajustan a los datos existentes de trampas de sedimentos profundos (~2300 y 3700 m) sugieren que ~3,3% del flujo total de POC que llega a los sedimentos superficiales hadales deriva de las aguas superficiales. Por lo tanto, concluimos que el transporte de sedimento a lo largo del talud continental y las laderas abisales hacia la zona hadal bentónica contribuye con un mayor aporte de carbono orgánico comprado con lo que llega por hundimiento desde la columna de agua. Sin embargo, dado que se espera que los flujos de estas distintas fuentes varíen tanto espacial como temporalmente, y por el hecho de que la geoquímica del sedimento incluye escalas temporales mayores que la columna de agua, no podemos descartar una mayor contribución de las zonas epipelágicas superficiales durante ciertas épocas del año.

The surface sediments from the hadal zone (>6000 m water depth) have high concentrations of organic matter (OM) compared to the surrounding abyssal seabed (3500-6000 m). However, the origin of this biological material remains uncertain. In this work, we evaluate the sources of labile organic matter in the hadal seafloor through the composition and distribution of intact polar lipids (IPLs) from microbial cell membranes extracted from surface sediments at the deepest points of the Atacama Trench and adjacent bathyal margin. In addition, we investigated the sources of OM in Atacama Trench sediments using a mixing model based on the isotopic signal of organic carbon and total nitrogen from different zones of the water column and bathyal sediments. We complemented our analyses with satellite particulate organic carbon (POC) in surface (0 m) and subsurface (1000 m), and theoretical models to estimate vertical POC export fluxes from the surface to hadalpelagic depths. In this study, we investigated the diversity and abundance of bacterial and eukaryotic IPLs in a total of nine hadal surface (0–1 cm) and subsurface (1–2, and 2–3 cm) sediments on three sites between 7,734 and 8,063 m water depth collected during the HADES-SO261 cruise (March to April 2018) aboard the RV Sonne (Wenzhöfer, 2019) and seven bathyal surface sediments (seven sites; 529–1200 m water depth) collected during the ChiMeBo-SO211 cruise (2–29 November 2010) aboard the RV Sonne (Matys et al., 2017). In addition, we compare our IPL results from surface sediment in the hadal and bathyal regions against samples from the overlying water column from the LowpHOX-2 cruise recently reported by Cantarero et al. (2020). This includes size-fractionated suspended OM (0.3–2.7 and 2.7–53 µm) at two stations and from six water depths that are representative of the dominant biogeochemical zonation associated with the ODZ of this region: chlorophyll maximum (∼ 10 m), upper chemocline (∼ 25 m), lower chemocline (∼ 45 m), upper ODZ (∼ 60 m), core ODZ (∼ 250 m), and mesopelagic zone (∼ 750 m). Additionally, we compare our results with stable isotope data from nonhadal sediments (<6000 m) and deep sediment traps from the Atacama region (2,300 and 3700 m). In Chapter 1 we investigated the chemical diversity and abundance of microbial IPL as markers of one of the most labile molecular fractions of MO in sediments of the deepest points of the Atacama Trench. More specifically, we evaluate the possible origin of IPLs from in situ production versus allochthonous transport and the presence of unique IPL signatures of the in situ microbial community, as well as evidence for molecular adaptations (i.e., changes in the chemical structure of the IPLs) to the extreme conditions of the hadal region. The results suggest that bacterial and eukaryotic IPLs in surface hadal sediments of the deepest points of the Atacama Trench share characteristics with those in bathyal sediments and differ from those found in suspended particles from the upper 750 m of the water column, including the ODZ. This indicates that (a) most IPLs abundant in the upper water column are almost entirely degraded during their descent to the hadal seafloor and (b) IPLs found in the hadal sediments are predominantly derived from in situ microbial communities. In addition, the high ratios of unsaturated/saturated fatty acids in hadal sediments are likely indicative of the homeoviscous adaptation of these organisms to the high pressure and low temperatures present in this environment, allowing them to maintain the fluidity of their cell membranes.In Chapter 2 we perform a comprehensive analysis of stable isotope of bulk OM to trace carbon and nitrogen sources over the overlying water columna as well as in bathyal-hadal surface sediment. We assess the relative contributions of OM and particle export connecting sunlit ocean surface productivity to the twilight zone and hadal seafloor. Using a mixing model based on the isotopic signals of organic carbon and total nitrogen in pelagic particulate organic matter (POM) and sedimentary OM, we estimate that ~75% of the POM present in surface sediments of the Atacama Trench could be derived from bathyal sediments. When the bathyal sediment is excluded from the model, we calculate that ~68% of sedimentary OM in the hadal sediments could derive from the epipelagic región (<200 m). Notably, the vertical POC fluxes that best fit with the existing data from deep sediment traps (~2300 and 3700 m) suggest that ~3.3% of the total POC flux that reaches hadal surface sediments derives from surface waters. Therefore, we conclude that sediment transport along the continental slope and abyssal slopes to the benthic hadal zone contributes to a greater input of organic carbon compared to that which arrives by sinking from the water column. However, since the fluxes of these sources are expected to vary both spatially and temporally and the fact that the bulk geochemistry of sediment includes time scales larger than the water column, we cannot rule out a greater contribution from the surface epipelagic zones at certain times of the year.