The biogeochemical cycles of iron, copper and manganese

Manganese biogeochemical cycling in the southern ocean and
the co-impact Mn-Fe-Cu on phytoplancton
At University of Tasmania
Supervisor: Dr Andrew Bowie
Co- supervisor: Dr Delphine Lannuzel
At l'UBO: LEMAR, UMR 6539, IUEM
Supervisor: Dr Géraldine Sarthou
Co- supervisor: Dr Eva Bucciarelli
Scientific and innovative context of the proposal
Oceanic phytoplankton plays a key role in controlling the atmospheric concentrations of
climatic active gases like carbon dioxide (CO2). Without phytoplankton in the ocean, the
atmospheric CO2 concentrations would indeed increase by 150-200 ppmv, a considerable
fraction compared to the present ~380 ppmv (Falkowski et al., 2000). Phytoplankton growth
is however limited by the scarcity of iron (Fe), an essential micronutrient, in more than 40%
of the ocean, including the Southern Ocean (de Baar et al., 2005). This metal may thus partly
regulate the atmospheric concentrations of CO2 (Martin et al., 1990). Other metals, such as
copper (Cu) and manganese (Mn), also play a key role in the biological pump of carbon.
Recent studies showed that the biological demand for iron may be linked to Cu (Peers et al.,
2005). Mn is an essential element for algal growth, being a key component of carbon fixation
processes (Landing and Bruland, 1987; Sunda, 1998/1989). Moreover there is increasing
evidence that Fe/Mn co-limitations impact Fe acquisition by marine phytoplankton (Peers and
Price, 2005). Recent studies also suggest that Mn may disrupt Fe uptake through reactions
with microbial siderophores (Duckworth et al., 2009), although this has never been studied in
the ocean. Additionally, the residence time of Mn in seawater is much longer that Fe, so that it
can be used to identify the location and magnitude of trace metal inputs to the Ocean.
We propose, for the first time, to study the coupling between the biogeochemical cycles of Fe,
and Mn, and their interactions with oceanic phytoplankton.
International context: a PhD cotutelle with Australia (University of Tasmania) in the context of
the International Antarctic Institute
LEMAR (UBO, IUEM, Plouzané) and ACE-CRC (University of Tasmania, Hobart,
Australia), are internationally recognized for the study of trace metals and their interactions
with oceanic phytoplankton. The first part of the PhD will take place at ACE-CRC
(supervision: Dr A. Bowie and Dr D. Lannuzel), where the PhD student will develop and
optimise analytical methods for the determination of dissolved Mn in seawater. The PhD
student will then participate in oceanographic cruises in the Southern Ocean, where samples
will be collected to analyse the concentrations and the speciation of Fe and Mn in the water
column, in order to better understand the sources of these trace metals to the ocean. During
the second part of the PhD, the student will conduct phytoplankton cultures at LEMAR
(supervision: Dr E. Bucciarelli and Dr G. Sarthou), to study how Mn and Cu control Fe
acquisition and phytoplankton growth.
Such questions are central to a better understanding of the climate system, and are
recognized of interest by international research programs like GEOTRACES, SOLAS and
IMBER. These topics are thus widely represented in international conferences and scientific
journals. Results from this PhD will be presented during these international conferences and
published in international peer-reviewed journals.
The student will develop skills in: (i) shipboard/non-contaminating sampling and analysis
of trace metals; (ii) retrieval and interdisciplinary analysis of oceanography data; (iii)
presentation of these results and publication of scientific articles. These skills will be useful to
students interested in a range of possible career directions, including analytical/environmental
chemistry.
The PhD project will a cotutelle agreement between UBO/IUEM and ACE CRC/UTAS
research centres. Collaborations are already effective between the two groups from former
scientific projects (6 joint scientific papers) and on-going fieldwork (KEOPS 2) as well as
through the International Antarctic Institute. Our two universities have been involved in this
network since November 2006 (18 universities in 13 countries and 6 associate members; e.g.,
SCAR
(Scientific
Committee
for
Antarctic
Research):
http://www.iai.utas.edu.au/cms/partners). The IAI label will be granted for the first time to
two students at UBO in July 2010. This PhD will be the first between two universities within
the IAI network, supporting the international recognition of UBO and also confirming its
active role within this network.
Problématique scientifique - Caractère innovant
Le phytoplancton océanique joue un rôle clé dans les concentrations atmosphériques de
gaz d’importance climatique comme le dioxyde de carbone (CO2). Sans phytoplancton, en
effet, les concentrations atmosphériques de CO2 augmenteraient de 150-200 ppmv, une
fraction considérable comparée aux ~380 ppmv actuels (Falkowski et al., 2000). La
croissance phytoplanctonique est cependant limitée par la carence en un micronutriment, le
fer (Fe), dans plus de 40% de l’océan, dont l'Océan Austral (de Baar et al., 2005). Ce métal
pourrait ainsi participer à la régulation des concentrations atmosphériques de CO2 (Martin et
al., 1990). D’autres métaux, tels que le cuivre (Cu) et le manganèse (Mn), jouent également
un rôle clef dans la pompe biologique de carbone. Des études récentes indiquent que
l'acquisition du Fe par les cellules phytoplanctoniques pourrait dépendre de l'utilisation du Cu
(Peers et al., 2005). De fortes présomptions, émergeant de nos propres études réalisées au
cours du programme international BONUS-GoodHope dans l'Océan Austral (Fév.-Mars
2008), indiquent aussi que Cu pourrait directement contrôler la production primaire (Sarthou
et al., 2009). Mn est également essentiel à la croissance algale en intervenant dans les
processus de fixation de carbone (Landing and Bruland, 1987; Sunda, 1998/1989). De plus, il
est maintenant évident que les co-limitations Fe/Mn ont un impact sur l’acquisition du fer par
le phytoplancton marin (Peers and Price, 2005). Par ailleurs, des études récentes suggèrent
que le Mn pourrait perturber l’assimilation du Fe au travers de réactions avec des
sidérophores microbiens (Duckworth et al., 2009). Ce mécanisme n'a cependant encore jamais
été cherché dans le milieu marin. Enfin, le temps de résidence du Mn est plus élevé que celui
du fer ce qui lui permet d’être utilisé comme traceur potentiel des apports de fer à l’océan.
Nous proposons ainsi pour la première fois à l'échelle internationale de mener une
étude couplée sur les cycles biogéochimiques du Fe, Cu et Mn; et de leur interactions avec
le phytoplancton marin.
Contexte international: cotutelle de thèse avec l'Australie (University of Tasmania) dans
le cadre de l'Institut Antarctique International
Pour mener à bien ce projet, nous nous appuierons sur les expertises de deux laboratoires,
le LEMAR (UBO, IUEM, Plouzané) et l'ACE-CRC (University of Tasmania, Hobart,
Australie), internationalement reconnus pour l'étude des métaux traces et de leurs interactions
avec le phytoplancton marin. Ainsi, une première partie de la thèse se déroulera à l'ACECRC (encadrement : Dr A. Bowie et Dr D. Lannuzel), où le doctorant apprendra à doser le Fe
dissous dans l'océan, et développera ou optimisera des méthodes analytiques pour la
détermination du Cu et Mn. Il participera également à des missions océanographiques dans
l'Océan Austral (mai-juin 2011 et nov.-déc. 2011).
Au cours de ces missions, placées sous l'égide du programme international GEOTRACES,
des échantillons seront prélevés afin d'analyser les concentrations et la spéciation du Fe, Cu et
Mn dans la colonne d'eau océanique. Ces analyses permettront de mieux comprendre
comment ces métaux traces sont apportés à l'océan, et dans quelle proportion. Dans un
deuxième temps, le doctorant réalisera des cultures phytoplanctoniques au LEMAR
(encadrement : Dr E. Bucciarelli et Dr G. Sarthou), afin d'étudier comment Cu et Mn
contrôlent la croissance phytoplanctonique et l'acquisition du Fe.
Ces études, essentielles pour mieux comprendre le système climatique, sont reconnues
d'importance par des programmes de recherche internationaux comme GEOTRACES,
SOLAS et IMBER, et permettront de présenter ces résultats lors de conférences
internationales et de les publier dans des revues internationales. Le doctorant développera
ainsi des compétences dans (1) l'échantillonnage et l'analyse de métaux traces, (2)
l'acquisition et l'interprétation multidisciplinaire de données océanographiques, (3) la
présentation de ses résultats et la rédaction d'articles scientifiques. Ces compétences lui
permettront d'envisager une carrière dans les domaines de la chimie analytique et de la chimie
environnementale.
Ce projet de thèse fera l'objet d'une cotutelle entre l'UBO/IUEM et l'ACE CRC/UTAS. Il
s'inscrit dans le cadre de collaborations effectives développées dans des projets antérieurs (6
publications de rang A communes) ou en cours (KEOPS 2), mais également par
l'intermédiaire du réseau de l'Institut Antarctique International, auquel participent nos deux
universités depuis novembre 2006 (18 universités dans 13 pays, 6 membres associés, dont
l’institut Paul Emile Victor et la fondation Cousteau en France, et le comité international
SCAR
(Scientific
Committee
for
Antarctic
Research):
http://www.iai.utas.edu.au/cms/partners). Le label IAI sera décerné pour la première fois cette
année à deux étudiants de l'UBO ayant suivi le programme IAI développé dans le Master
Sciences de la Mer et du Littoral. Cette thèse sera ainsi la première thèse en cotutelle entre
deux universités du réseau IAI, appuyant la reconnaissance de l’UBO par cette
communauté internationale, et confirmant sa participation active et son rôle moteur dans le
réseau et le programme IAI.
Références
de Baar, H.J.W., et al., 2005. Synthesis of iron fertilization experiments: From the Iron Age in
the Age of Enlightenment. J. Geophys. Res., 110: C09S16, doi:10.1029/2004JC002601.
Duckworth, O.W., Bargar, J.R. and Sposito, G., 2009. Coupled biogeochemical cycling of iron
and manganese as mediated by microbial sidérophores. BioMetals, 22: 602-613.
Falkowski, P. et al., 2000. The global carbon cycle: a test of our knowledge of Earth as a
system. Science, 290: 291-296.
Landing W.M., Bruland K.W., 1987. The contrasting biogeochemistry of iron and manganese
in the Pacific Ocean. Geochim. Cosmochim. Acta. 51: 29-43.
Martin, J.H., 1990. Glacial-interglacial CO2 change : the iron hypothesis. Paleoceanography,
5: 1-13.
Peers, G. and Price, N.M., 2004. A role for manganese in superoxide dismutases and growth
of iron-deficient diatoms. Limnol. Oceanogr., 49(5): 1774–1783.
Peers, G., Quesnel, S.-A. and Price, N.M., 2005. Copper requirements for iron acquisition and
growth of coastal and oceanic diatoms. Limnol. Oceanogr., 50(4): 1149-1158.
Sarthou, G., Bucciarelli, E., Chever, F., 2009. The co-impact of iron and copper on
phytoplankton growth in the South Atlantic and the Southern Ocean. ASLO, Ocean
Sciences Meeting 2009, 25-30 January, Nice, France.
Sunda W.G., 1988/1989. Trace metal interactions with marine phytoplankton. Biol. Oceanogr.
6: 411-442.