Nitrogen cycling in the Cape Verde Frontal Zone (NW Africa): Elemental and isotopic characterization

Abstract

Despite the scientific interest on nitrogen (N) in the marine environment and its key role in global biogeochemical cycles, there are still uncertainties about the mechanisms that control its cycle and how to quantify them. N fluxes to and within the ocean are likely to increase in the future due to anthropogenic activities. To understand the consequences of these anthropogenic perturbations in the ocean, natural fluctuations in the N cycle must be understood. In this context, the general objective of this PhD thesis is to characterize elemental and isotopically the inorganic and organic (dissolved and suspended) N pools, in the Cape Verde Frontal Zone (CVFZ) from the information collected during two oceanographic cruises carried out in summer and autumn 2017. This highly dynamic zone is located at the southern end of the Eastern Boundary Upwelling Ecosystem of the Canary current. In the CVFZ, convergence of tropical and subtropical Atlantic waters occurs, forming the thermohaline Cape Verde front (CVF). In addition, this region is characterised by large vertical and horizontal export fluxes of organic matter and inorganic nutrients, due to the interaction of the CVF with the Mauritanian coastal upwelling and its Cape Blanc Giant Filament. We observed that the distributions of inorganic and organic N species, and the -O2:N:Si:P stoichiometric ratios in the epipelagic layer of the CVFZ were dictated by the position of the CVF and its interaction with meso- and submeso-scale structures (meanders, eddies, filaments). This stoichiometry reflected severe N limitation at surface mixed layer, and preferential N mineralisation in the water below pycnocline and in meso- and bathypelagic layers. Geographical heterogeneity in dissolved (DON) and suspended particulate (PON) organic nitrogen distributions and their stoichiometry were also observed within each of the different water masses of contrasting origin present in the study area (North and South Atlantic Central Water, Subpolar Mode Water, Mediterranean Water, Antarctic Intermediate Water, Labrador Sea Water and North East Atlantic Deep Water). Nevertheless, our analysis indicates that DON and suspended PON have a minor impact on local mineralisation processes, suggesting that regenerated nitrate in CVFZ was mainly derived from sinking POM. This higher contribution of sinking POM was also supported by the distribution of δ15NNO3 − and δ18ONO3 − and the average values obtained for each water mass in the CVFZ.

A pesar del interés científico sobre el ciclo del nitrógeno (N) en el medio marino y su papel clave en los ciclos biogeoquímicos globales, aún existen ciertas lagunas sobre los mecanismos que controlan su ciclo y como cuantificarlos. Además, se pronostica que los flujos de nitrógeno hacia y dentro del océano aumenten debido a efectos antropogénicos. Para comprender las consecuencias de estas perturbaciones antropogénicas en el océano, debemos entender las fluctuaciones naturales en los procesos del ciclo del N. En este contexto, el objetivo general de esta tesis consiste en caracterizar elemental e isotópicamente el nitrógeno inorgánico y orgánico (disuelto y en suspensión), en la Zona Frontal de Cabo Verde (CVFZ), a partir de la información recopilada durante dos campañas oceanográficas realizadas en verano y en otoño del 2017. Esta zona de gran dinamismo está situada en el extremo Sur del ecosistema de afloramiento costero de la Corriente de Canarias. En la CVFZ se produce la convergencia de aguas tropicales y subtropicales del Atlántico, formando el Frente termohalino de Cabo Verde (CVF). Esta región, está caracterizada, además, por grandes flujos de exportación de materia orgánica y nutrientes inorgánicos, tanto verticales como horizontales, debidos a la interacción del CVF con el afloramiento costero de Mauritania y el filamento gigante de Cabo Blanco En esta tesis se observó que las distribuciones de N orgánico e inorgánico, así como las relaciones estequiométricas de -O2:N:Si:P, en la capa epipelágica del CVFZ, las dictan la posición del CVF y su interacción con las estructuras de meso- y submesoescala en la zona (meandros, remolinos, filamentos). La estequiometría obtenida refleja una severa limitación de N en la capa superficial, mientras que por debajo de la picnoclina y en las capas meso- y batipelágicas mostró una mineralización preferente de N. Las distribuciones de nitrógeno orgánico disuelto (DON) y particulado (PON) y sus estequiometrias mostraron cierta heterogeneidad geográfica en las diferentes masas de agua presentes en el CVFZ (Aguas Centrales del Atlántico Norte y Sur, Agua Modal Subpolar, Agua Mediterráneo, Auga Intermedia Antártica, Agua de Labrador y Agua Profunda del Atlántico Nororiental). Los análisis mostraron que tanto DON como PON, tienen un impacto pequeño en los procesos locales de mineralización, lo cual sugiere que el nitrato regenerado en la región de estudio, se deriva principalmente por la mineralización del material particulado en sedimentación. Esta mayor contribución por parte del material particulado en sedimenta, la corrobora la distribución obtenida de δ15NNO3 − y δ18ONO3 − y sus valores medios en cada masa de agua presente en la CVFZ.