Impact of photo-chemical processing of dissolved organic carbon on the bacterial respiratory quotient in aquatic ecosystems

Abstract

Dissolved organic carbon (DOC) enters inland waters from the surrounding terrestrial ecosystems, and is assimilated by bacterioplankton, mineralizing it to carbon dioxide (CO2). This bacterial respiration (BR) is an important part of carbon processing in freshwater, but it is also a process of global significance; in oceans and inland waters combined, BR is probably the largest single sink of organic carbon on Earth.
Many studies assume a respiratory quotient (RQ = CO2 produced per O2 consumed, by moles) of ~1 to calculate planktonic bacterial respiration rates from measured O2 consumption rates. However, the theoretical value of RQ varies with the elemental composition of the compound being decomposed. If the O-content of the compound is high, less oxygen is needed from the surroundings and the RQ increases.
Photo-chemical oxidation of DOC with ultraviolet (UV) light results in oxygen-rich organic acids which, theoretically, should lead to elevated RQ.
In this study samples of both UV light irradiated and non-irradiated water were incubated in the laboratory and the bacterial RQ was monitored with optic gas-pressure sensors. The water samples used were from the humic lake Övre Björntjärnen in the north of Sweden and Leonardite-extracted humic acid solutions.
In irradiated samples, the RQs frequently exceeded 1 and generally were significantly higher than in the non-irradiated samples. Additionally, enrichment with inorganic nutrients (N+P) to humic acids extract consistently increased the RQs in bioassays. In non-irradiated humic acid solutions, both nutrient enriched and non-enriched, RQ was lower than 1. This study shows that bacterial RQ varies depending on the state of oxidation of the DOC and the access to nutrients in the water. The results imply that RQ can be systematically higher than 1 when the bacterial metabolism is to a large extent based on photo-chemically produced substrates. The use of an assumed RQ of 1 may both underestimate and overestimate bacterial respiration in aquatic ecosystems.

Popular Abstract (Swedish)

Inlandsvatten är globalt sett nettoutsläppare av koldioxid (CO2) till atmosfären. En stor del av den CO2 som produceras i akvatiska ekosystem kommer från baketrieplanktons mineralisering av löst organiskt kol via respiration (BR), där de tar upp syre (O2) från omgivningen och producerar CO2. Teknikerna för att mäta O2 konsumtionen är bättre utvecklade än de för att mäta CO2 produktionen. För att räkna om O2 konsumtion till CO2 produktion krävs en omvandlingsfaktor, kallad respirationskvoten (RQ).
RQ är kvoten mellan hur många mol CO2 som produceras och hur många mol O2 som konsumeras vid oxidering och beror av mängden syre i substratet som bryts ned. Med en större mängd syre i substratet krävs inte lika mycket O2 från omgivningen för oxidering och RQ blir därmed högre än med en mindre mängd syre. I många studier antas en fixerad RQ på 1 vid uppskattning av BR.

Solljus kan genom fotokemiska processer leda till partiell oxidering av löst organiskt kol som då bryts ned till enklare molekyler med högt syreinnehåll. Bakterieplankton bryter i sin tur ner dessa molekyler med en högre teoretisk RQ än nedbrytning av de ursprungliga molekylerna. Fotokemiska processer sker i alla akvatiska ekosysytem, framförallt där det löst organiska kolet kommer från omgivande terrestra ekosystem och innehåller humussyror eftersom dessa absorberar solljuset bäst. Antagandet av en RQ på 1 kan därför leda till underskattningar av BR.

I denna stidien mättes därför O2 konsumtion och CO2 produktion, med hjälp av optiska sensorer, på både belysta och obelysta, humusrika vattenprover. I ett prov med tillsattes inorganiska näringsämnen (kväve och fosfor) för att undersöka om detta påverkade RQ.
Mätningarna utfördes i en klimatkammare vid konstant temperatur på 20˚C. De belysta proverna hade fått ligga under en UV-lampa i 48 h, vilket var tiden för att så gott som alla molekyler av löst organiskt kol antogs bli fotokemiskt processerat. Kvoten mellan den uppmätta CO2 produktionen och O2 konsumtionen gav i sin tur RQ i provet.

I de obelysta proverna låg RQ runt ett. I de belysta proverna var RQ genomgående högre, mellan 2 och 4. Det var också tydligt att i näringsfattigt vatten var RQ betydligt lägre än i vatten med god tillgång till inorganiska näringsämnen.
Detta innebär att i ekosystem med humusrikt vatten är det troligt att RQ är underskattat vid användning av ett fixerat värde på ett. I förlängningen innebär detta att BR och därmed andelen kol som passerar genom bakterieplankton underskattas med mer än hälften. Samtidigt kan samma antagande att RQ är ett leda till överskattning i vatten där näringstillgången är låg. Sådana under- och överskattningar ger felkällor vid modellering av den globala kolcykeln. En så komplett bild som möjligt av kolcykeln är till exempel viktig vid projektioner av klimatförändringagr. Fler studier av detta slag på bakterieplanktons respiration och RQ bör genomföras för att få en komplett bild av mekanismerna.

• author: Allesson, Lina
• supervisor: Martin Berggren
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• alternative title: Påverkan av fotokemiskt processat löst organiskt kol på bakterieplanktons respirationskvot i akvatiska ecosystem
• course: NGEM01 20141
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: bacterioplankton respiration, physical geography, biogeochemistry, photo-oxidation, degradation, nutrients
• publication/series: Student thesis series INES
• report number: 336
• language: English
• id: 5225240
• date added to LUP: 2015-03-30 11:49:17
• date last changed: 2015-03-30 11:49:17