Thèse / université de bretagne occidentale

Chapter 1 
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quantities of size fractionated particles (see GEOTRACES cookbook
1
 and McDonnell et al., 
2015). They can operate at any depth and, at a same station many ISP can be deployed along 
a cable off the side of the ship. The pumping time is typically 2-4 hours and 1000-2000 L of 
seawater can be filtered depending on particle concentration. The two commercial systems 
used in the present work are Challenger and McLane and the latter can be configured with two 
pump heads equipped with different filters that can be subsampled for multiple measurements.  
It is important to note that suspended particles sampled with ISP are not necessarily the ones 
that sink and can lead to substantial biases in estimates of export flux. Moreover, the size is 
not  always  related  to  density  and  ISP  sampling  can  include  living  and  non-sinking 
phytoplankton  or  micro-zooplankton  (Lalande  et  al.,  2008;  Puigcorbé  et  al.,  2015).  Other 
methodological issues are the high pressure differential created within ISP that may cause a 
rupture of aggregates (Gardner et al., 2003) and the adsorption of dissolved matter onto the 
membranes filters (Zhou et al., 2016) which both can bias the size structure of particles and 
their elemental concentrations.  
After ISP collection, particle concentrations can be measured and combined with the 
210
Po or 
234
Th export flux in order to deduce a particulate elemental export flux. This latter method is 
used and described in this thesis (see section 2.2.1). 
-  Sediment traps 
Sediment trap collect directly sinking particles during their transit to depth, into successive cups 
placed into a carousel hermetically sealed from ambient water. The cup position switches in 
order to collect a time series or to separate the  sampling  between the elements of interest 
(POC versus trace elements for example). Often, poison (formalin or mercury) is added to the 
cups in order to stop the bacterial activity or to kill zooplankton swimmers that enter in the cups 
(Lee and Fisher, 1992; Lee et al., 1992). However, this poison can change qualitatively the 
trapped  organic  matter  (Liu  et  al.,  2006)  or  contaminate  for  trace  element  determinations 
                                                      
1
 
http://www.geotraces.org/science/intercalibration/222-sampling-and-sample-handling-protocols-for-geotraces-
cruises 

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Chapter 1 
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(McDonnell  et  al.,  2015).  Different  types  of  traps  can  be  deployed:  moored  traps,  usually 
deployed  in  the  deep  sea  and  used  for  time  series  (Antia  et  al.,  2001;  Honjo  et  al.,  2008; 
Rembauville et al., 2015a, 2015b); drifting traps usually deployed in the upper water column 
(Laurenceau-Cornec  et  al.,  2015a);  free-drifting  traps  that  are  able  to  sample  at  a  density 
horizon (Buesseler et al., 2007; Lampitt et al., 2008); polyacrylamide gel-filled sediment traps 
to examine sinking flux characteristics (particle type, number, size; Ebersbach and Trull, 2008; 
Laurenceau-Cornec  et  al.,  2015a).  Sediment  traps  allow  the  direct  quantification  of  export 
fluxes  but  they  tend  to  undercollect  slower  sinking  particles  due  to  physical  advection,  in 
particular the moored sediment traps. Also, the sampling of swimmers, even when killed by 
poison,  can  alter  the  particle  composition  and  the  related  flux  (McDonnel  et  al.,  2015; 
Buesseler et al., 2007).  
 
To  sum  up,  the  collection  of  the  sinking  material  by  sediment  traps  or  ISP  is  not  without 
difficulties knowing the contamination sources of each element of interest (specifically in this 
study:  POC,  PN,  BSi,  and  particulate  trace  metals),  the  physical  processes  as  the  lateral 
advection  perturbing  the  particle  trajectories  or  the  inclination  of  the  particle  collector,  the 
solubilization or the loss of material during collection or recovery, and the biological interactions 
such  as  zooplankton  grazing,  migration  and  excretion  which  can  remove  or  add  to  the 
particulate flux instantly and locally.  
1.3.2.  Determination of remineralization fluxes 
The attenuation of the particulate organic matter  concentration with depth can be observed 
using sediment traps, in-situ pumps or the 
234
Th deficit method between the surface and the 
mesopelagic  layers  (Marsay  et  al.,  2015;  Usbeck,  2002)  but  other  tools  can  estimate  the 
oxygen consumption and thus quantify the remineralization fluxes: 
-  Bacterial respiration 
The  bacterial  respiration  can  be  determined  from  dissolved  oxygen  consumption  in  dark 
seawater incubations. The dissolved oxygen consumption is determined by Winkler titration 

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Chapter 1 
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(Christaki  et  al.,  2014;  Lefèvre  et  al.,  2008),  then  the  oxygen  consumption  rate  can  be 
estimated  by  integrating  the  bacterial  respiration  in  a  set  depth  layer.  However,  the 
determination of the bacterial respiration is mostly limited to the upper 200 m of depth because 
of sensitivity issues (detection limit varying from 0.06 to 0.5 µmol O
2
.L
-1
.d
-1
; Arístegui et al., 
2005; Robert, 2012). 
-  Oxygen Utilization Rate (OUR)  
Surface oxygen concentrations are close to saturation with atmosphere and oxygen can be 
supplied to the water column by the physical transport of oxygenated surface waters to depth. 
The OUR can be estimated by dividing the apparent oxygen utilization (AOU) by the age of the 
water  mass,  i.e.  the  elapsed  time  since  the  water  mass  was  in  contact  with  atmosphere 
(Jenkins,  1982).  The  AOU  provides  a  measure  of  the  oxygen  undersaturation,  due  to  the 
remineralization, and is calculated by subtracting the observed oxygen concentration to the 
preformed  (or  saturated)  oxygen  concentration  (Broecker  and  Peng,  1982).  The  integrated 
OUR can then be converted into a carbon remineralization flux using the Redfield molar ratio 
C/O
2
 (127/175; Feely et al., 2004; Sonnerup et al., 2014). 
-  Other tracers  
Remineralization  processes  are  a  source  of  changes  in  the  elemental  concentrations  and 
isotopic compositions. For example, ammonium is produced during remineralization and is, in 
general, rapidly transformed into nitrate (nitrification) but an ammonium accumulation indicates 
an imbalance between the two processes and thus an important remineralization (Sigman et 
al., 2009). Stable isotopes provide information on the relationship between the dissolved and 
particulate phases such as uptake, scavenging and remineralization. In surface waters, the 
increase of the isotopic signatures of dissolved compounds (NO
3
-
, trace metals) can be related 
to  the  biological  uptake  of  lighter  isotopes  while  below  the  surface,  the  remineralization 
contributes to the lower isotopic signatures by releasing the lighter isotopes in solution (Hoefs, 
2010). 

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