Photoproduction de monoxyde de carbone dans les écosystèmes marins : particules contre solutés

Song, Guisheng (2013). Photoproduction de monoxyde de carbone dans les écosystèmes marins : particules contre solutés. Thèse. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER), 251 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: Le monoxide de carbone (CO) joue un rôle important dans le cycle du carbone organique marin et dans la chimie atmosphérique. L'océan est reconnu depuis longtemps comme la principale source de CO dans l'atmosphère. Dans la couche supérieure de l'océan, le CO est produit principalement à partir de la photodégradation de la matière organique dissoute chromophorique (CDOM). Cependant, des données récentes suggèrent que la photolyse de la matière organique particulaire (POM) peut également produire une quantité importante de CO dans la colonne d'eau. Pour comprendre la contribution de la POM à la photoproduction de CO et, par conséquent, évaluer l'importance de la photodégradation de la POM dans le cycle du carbone marin, ce travail a permis, pour la première fois, de quantifier le rendement apparent quantique de la photoproduction de CO (AQY CO) à partir de la POM et du CDOM dans des écosystèmes aquatiques de climat froid (c.-à-d., le sud-est de la mer de Beaufort) et tempéré (c.-à-d, la baie du Delaware). La variation spatio-temporelle du CO dans la glace de mer de première année, un autre écosystème important de l'Arctique, a également été évaluée. En outre, les spectres AQY CO de la POM et du CDOM provenant de cultures d'algues de glace ont été déterminés. La contribution de la POM et du CDOM à la photoproduction de CO à la base de la glace de mer a également été estimée.
La concentration de CO a fluctué de façon irrégulière dans la couche superficielle de la glace de mer. À la base de la glace, elle a toutefois suivi la concentration des algues, avec de faibles valeurs au début de la période d'accumulation des algues, un fort enrichissement pendant l'efflorescence et la période post-efflorescence, et un appauvrissement de nouveau pendant la fonte de la banquise. Les profils verticaux montrent une diminution de la concentration en CO de la surface vers la base de la glace au début du printemps et ces profils sont variables pendant la saison de fonte. En présence de fortes biomasses algales à la base de la glace à la mi-printemps, le CO a été fortement enrichi à la base de la glace (82,9 ± 84 nmol L-1) par rapport à la surface (16,8 ± 7 nmol L-1). De plus, la banquise côtière contenait des teneurs en CO supérieures à celles de la glace dérivante. La concentration moyenne de CO dans la glace de mer pendant la campagne d'échantillonnage a été de 13,9 ± 10 umol m-2 et la production nette de CO pendant le bloom d'algues de glace a été évaluée à 13,2 umol m-2 • La glace de mer est reconnue comme une source importante de CO atmosphérique et elle pourrait contribuer à un flux annuel vers l'atmosphère de 7.4 x 107 moles de CO dans la zone d'étude.
Généralement, les AQYs CO des particules et du CDOM diminuent avec l'augmentation de la longueur d'onde, mais la forme du spectre dans le visible, en ce qui concerne les particules était supérieure et plus platte. Cette caractéristique a donné lieu à une production de CO par la lumière visible disproportionnellement élevée pour les particules. Ainsi, le ratio entre la photoproduction de CO par les particules et celle par le CDOM augmente avec la profondeur dans la zone euphotique et dans la glace de mer. Plus précisément, les spectres AQY CO des particules provenant de cultures d'algues de glace en phases de croissance exponentielles et sénescentes ont été plus élevés que ceux du CDOM des cultures, en particulier aux longues longueurs d'onde. Contrairement au CDOM , il y avait une photoproduction de CO substantielle à partir des particules aux longueurs d'ondes > 600 nm. Étant donné que le flux de photons du rayonnement solaire atteignant la couche inférieure de la glace de mer est largement dominé par la lumière visible, notamment sous un couvert de neige, on s'attend à ce que la POM joue un rôle plus important que celui de la matière organique dissoute (DOM) dans l'accumulation de CO durant le bloom d'algues de glace. Toutefois, nous estimons que la contribution relative de la DOM à l'accumulation du CO dans la glace augmente avec la progression de la fonte de la neige et de la glace.
Dans le sud-est de la mer de Beaufort, l'AQY CO des particules a augmenté de l'estuaire et du plateau vers le bassin, tandis que celui du CDOM a suivi une tendance inverse. L'eau provenant du maximum profond de chlorophylle (DCM) a révélé des dominée par le rayonnement ultraviolet (UV, 290-400 nm) alors que la lumière UV et visible a joué un rôle à peu près égal dans la production de CO à partir des particules. Dans l'estuaire du Delaware, les valeurs du AQY CO ont été déterminées sur des échantillons d'eau de mer filtrée sur membranes de 0,2, 10 et 20 flm de porosité, afin d'évaluer l'effet de la taille de la matière organique sur l'efficacité de photoproduction de CO. En raison des propriétés distinctes de la matière organique le long de l'estuaire, la forme des spectres du CO AQY du CDOM et des particules a moins varié que celle obtenue lors d'études précédentes. Par conséquent, la lumière visible plutôt que l'UV a été le principal responsable de la photoproduction de CO à partir, à la fois, des particules et du CDOM dans la colonne d'eau. Les particules et le CDOM au milieu de la zone de tubidité maximum ont été plus photoréactifs que leurs homologues provenant de la terre ferme, en raison de la floculation, de l'adsorption et/ou de la désorption aux endroits où il y avait suffisamment de mélange de l'eau douce avec l'eau salée. Aucune différence significative dans la photoréactivité des particules en termes de production de CO n'a été trouvée entre les deux fractions de taille des particules le long de l'estuaire.
Selon notre modèle, la contribution des particules à la photoproduction totale de CO serait supérieure à 84% à la base de la glace de mer, de 12-32% en eau libre dans le secteur sud-est de la mer de Beaufort et de 29-77% dans l'estuaire du Delaware. En outre, la contribution des particules de petite taille (<10 um) à la photoproduction totale de CO basée sur l'ensemble des particules a été plus grande dans l'estuaire du Delaware, car cette fraction de taille est la composante dominante des particules chromophoriques. Cette étude présente de nouvelles preuves que la photochimie des particules joue un rôle important dans le cycle du carbone océanique et des gaz traces, en particulier dans les eaux estuariennes et côtières et dans la glace de mer, des milieux où la photochimie des particules pourrait dépasser celle du CDOM. -- Mot clés: monoxyde de carbone, photoproduction, le rendement apparent quantique, CDOM, les particules, la glace de mer, la mer de Beaufort, l'estuaire du Delaware. --ABSTRACT: Carbon monoxide (CO) plays an important role in marine organic carbon cycle and in atmospheric chemistry. The ocean has long been recognized as an important source of atmospheric CO. In the upper ocean, CO is produced primarily from photodegradation of chromophoric dissolved organic matter (CDOM). However, recent evidence suggests that photolysis of particulate organic matter (POM) can also produce a significant amount of CO in the water column. To understand the contribution of POM to CO photoproduction and hence assess the importance of POM photodegradation to marine carbon cycling, this work for the first time quantified the spectrally resoived apparent quantum yields (AQYs) of CO photo production from POM, as well as from CDOM in cold (southeastern (SE) Beaufort Sea) and warm aquatic ecosystems (Delaware Bay). The spatiotemporal variation of CO concentration ([COD in first-year sea ice in the SE Beaufort Sea was also examined. CO AQY spectra of POM and CDOM harvested from ice algal cultures were determined to model the contributions of POM and CDOM to CO photoproduction in bottom sea ice.
[CO] fluctuated irregularly in surface ice but followed the biomass of ice algae in bottom ice, i.e. low at the start of ice algal accumulation, highly enriched during the peakbloom and early post-bloom, and depleted again during sea ice melt. Vertical profile of CO typically decreased downward in early spring and was variable in the melting season. In the presence of high bottom ice algal biomass in mid-spring, CO was highly enriched in the bottom (82.9 ± 84 nmol L-1) relative to the surface (CO: 16.8 ± 7 nmol L-1). Furthermore, landfast ice contained higher levels of CO th an drifting ice. Cruise-mean CO inventory in sea ice was 13.9 ± 10 umol m-2, and the net production of CO during the ice algal bloom was assessed to be 13.2 mol m-2 • Sea ice is recognized as an important source of atmospheric CO and might contribute 7.4 x 10 7 moles of CO a-1 to the atmosphere in the study area. Generally, CO AQYs of both particles and CDOM decreased with wavelength but the spectral shape of the particulate AQY was flatter in the visible regime. This feature resulted in a disproportionally higher visible light-driven CO production by particles, thereby increasing the ratio of particle- to CDOM-based CO photoproduction with depth in the euphotic zone and in sea ice. Specifically, CO AQY spectra of partic1es collected from ice algal cultures at the exponential and senescent phases were higher than the corresponding CDOM samples, particularly at long wavelengths.
Unlike CDOM, at λ> 600 nm, there was prolific CO photoproduction from particles collected from ice algal cultures. Given that the photon flux of solar radiation reaching the bottom sea ice is overwhelmingly dominated by the visible regime, particularly under snow coyer, POM is expected to play a far more important role than DOM in contributing to the CO accumulation during the ice algal bloom. The relative contribution from DOM, however, is estimated to increase with the progression of snow and ice melting. In the SE Beaufort Sea, CO AQY of particles augmented from the estuary and shelf to the basin while that of CDOM trended inversely. Water from the deep chlorophyll maximum (DCM) layer revealed higher CO AQYs than did surface water for both particles and CDOM. CO AQY of particles exceeded that of CDOM on the shelf and in the basin but the sequence inversed in the estuary. In terms of depth-integrated production in the euphotic zone, CO formation from CDOM was dominated by the ultraviolet (UV, 290-400 nm) radiation whereas UV and visible light played roughly equal roles in CO production from particles.
In the Delaware Estuary, CO AQYs in 0.2-, 10- and 20-um filtered water samples were determined, to evaluate the size effect of organic matter on CO photoproduction efficiency. Owing to the distinct properties of organic matter along the estuary, the spectral shape of CO AQY of CDOM and particles were flatter than those in previous studies, and hence visible light, rather than UV, were the main contributor to CO photoproduction from both particles and CDOM in the water column. Both particles and CDOM in the mid-TMZ were more photoreactive than their counterparts from land, due mainly to flocculation, adsorption and/or desorption during intense mixing of fresh water with saline seawater. No significant difference in particle photoreactivity in tenns of CO production was found between the two size fractions of particles along the estuary .
Modeled CO photoproduction indicated that particles could contribute more than 84% in bottom sea ice, 12-32% in open water in the SE Beaufort Sea and 29%-77 % in the Delaware Estuary to total CO photoproduction. Furthermore, small-sized particles (<10 um) accounted for more of particle-based CO photo production in the Delaware Estuary , since this size fraction is the dominant component of chromophoric particles. This study provides novel evidence that particle photochemistry is an important term in marine carbon and trace gas cycling, especially in estuarine and coastal waters and sea ice, where particle photochemistry may exceed that of CDOM. -- Keywords: carbon monoxide, photoproduction , apparent quantum yield, CDOM , particles, sea ice, Beaufort Sea, Del aware Estuary.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Xie, Huixiang
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse :	Bélanger, Simon
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en océanographie en vue de l'obtention du grade de philosophae doctor.
Mots-clés :	Monoxyde Carbone Co Photoproduction Production Ecosysteme Marin Ocean
Départements et unités départementales :	Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par :	DIUQAR UQAR
Date de dépôt :	04 févr. 2015 19:30
Dernière modification :	04 févr. 2015 19:30
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/978

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