Dynamics of chromophoric dissolved organic matter, cdom, in coastal tropical waters

Abstract

Chromophoric Dissolved Organic Matter (CDOM ag355) distribution in surface waters of Mayagüez Bay, Puerto Rico can be related to riverine allochtonous sources. Inshore CDOM ag355 had six times (0.55 m-1), and offshore stations twice (0.22 m-1), the values found at Caribbean Time Series (CaTS) station surface waters (0.100 m-1). Spatial and temporal analysis of CDOM spectral slope values reveals no statistically significant difference (p > 0.05) between Mayagüez Bay and Caribbean surface waters (0.017 nm-1). Correlation analysis between Chl-a, vs. CDOM suggests that phytoplankton is not a dominant CDOM ag355 source in Mayagüez Bay waters. Bottom sediment resuspension appears to be an important source of CDOM ag355 during the dry season. At this time of minimal river water discharges, half the average values of CDOM ag355 and non-significant temporal differences in TSS, CDOM ag355 spectral slopes were prevalent. Photodegradation does not appear to be an important process in explaining variability of CDOM ag355 nor the modification of the spectral slope of CDOM ag355, locally. Non-conservative behavior of CDOM ag375 was demonstrated in a mixing experiment consisting in step-wise dilution of marine waters end-members with Añasco River water endmember, including and excluding its typical suspended sediments loads. At low salinity dilution (S < 8), CDOM ag375 was lost from the dissolved fraction between 8.7 and 18.6 % in the absence of suspended particulate. In the presence of particles (at typical river water TSS concentrations), simple dilution produced a decrease in CDOM ag375 of between 13.9 and 9.7% suggesting loss by sorption; but at intermediate salinities, rising values suggested desorption. Spectral slope (S) shifts, above theoretical conservative dilution line values, suggested that CDOM ag375 was removed from the dissolved fraction. The values of S were not significantly different regardless of level of dilution or whether suspended particles were absent or present in the mixture of river and marine water. At salinity values typical of Mayagüez Bay (33.20 - 35.91 psu), S values characteristic of the marine water end-member dominate. Far greater amounts of allochtonous CDOM than enters the Bay would be necessary to significantly change the resulting value of S in the mixed marine and river waters since the proportion of fresh river water is <7%. CDOM ag375 flocculation and adsorption onto clay-minerals can be important processes in the partition between dissolved and particulate phases. Three characteristic Remote Sensing Reflectance (Rrs) spectral signatures were identified in Mayagüez Bay: inshore, offshore and in the vicinity of an underwater sewage outfall. A unique phytoplankton assemblage and unique combination of water constituents can cause the characteristic Rrs spectral signature near the underwater treated sewage outfall. Empirical algorithms were successful in reaching the validated uncertainty threshold, Absolute Percent Difference (APD < 35 %), for three of the four evaluated band ratios of acceptable APD. The best band ratios were Rrs412/Rrs510 and Rrs510/Rrs555 (R2 > 0.80). The same band ratios were evaluated for Color Detrital Matter (aCDM412) with better R2 than obtained for CDOM for the first three band ratios (R2 > 0.80), making these suitable for the aCDM412 estimate. The empirical model may be enhanced through further validation.

La distribución de Materia Orgánica Disuelta Coloreada (MODC ag355) en la Bahía de Mayagüez se explica por la entrada de fuentes alóctonas en proporción al flujo de los ríos. Las estaciones costeras, tuvieron valores de MODC ag355 seis veces mayores (0.55 m-1), y las oceánicas del doble (0.22 m-1), de las encontradas en aguas superficiales del Mar Caribe circundante (0.100 m-1). Las pendientes espectrales eran similares a las del Mar Caribe (0.017nm-1) y análisis espaciales y temporales no demuestran diferencias significativas entre estaciones en la Bahía (p > 0.05). Diferencias temporales no-significativas en SST, pendientes similares y reducción de MODC ag355 en estaciones costeras, sugieren que este material podría originarse en la resuspensión de sedimentos de la bahía en época seca. Correlaciones entre Chl-a y MODC sugieren que el fitoplancton no es una fuente importante de MODC ag355; y que la fotodegradación no parece ser un factor de importancia modificando las pendientes espectrales de MODC ag355. Se ha demostrado un comportamiento no-conservativo de MODC ag375 en un experimento de mezcla simple que consistía en diluciones seriadas entre aguas oceánicas y aguas del Río Añasco que incluían y excluían las concentraciones típicas de sedimentos suspendidos. A bajas salinidades (S < 8), se observó perdida de MODC ag375 de entre 8.7 y 18.6 % en ausencia de partículas. En presencia de partículas (concentraciones de SS típicas de aguas de río), las diluciones causaron una disminución de MODC ag375 de entre 13.9 y 9.7 % sugiriendo perdidas por adsorción; pero valores mayores de MODC ag375 a salinidades intermedias sugieren desorción. Desviación de los valores de S, de línea de dilución conservativa teórica, en las series de diluciones, sugieren que MODC ag375 fue eliminada de la fracción disuelta y que la presencia de sedimentos suspendidos no alteró las pendientes espectrales. Los valores de S no fueron significativamente diferentes independientemente de la presencia o ausencia de partículas. A las salinidades encontradas en la Bahía de Mayagüez (33.20-35.91), los valores característicos de S para el miembro marino, son los dominantes. Cantidades mayores de MODC alóctona que las que entran a la bahía serian necesarias para cambiar significativamente los valores resultantes de S entre la mezcla de aguas marinas y aguas de río, dado que las proporción de agua de río es < 7 %. Procesos de floculación y adsorción de MODC ag375 a minerales arcillosos pueden ser importantes en el fraccionamiento entre las fases disuelta y particulada. Tres huellas espectrales (costeras, oceánicas y de un emisario submarino de aguas residuales tratadas) fueron identificadas en la reflectancia teledetectada Rtd en la Bahía de Mayagüez. Grupos fitoplanctónicos y constituyentes distintivos de estas aguas pueden causar la señal característica en el sitio del emisario). Los algoritmos empíricos alcanzaron al nivel umbral de incertidumbre de validación Porciento Absoluto de Diferencia (PAD < 35 %), apropiados para tres de las cuatro razones de banda evaluadas. Las mejores razones de bandas fueron Rtd 412/Rtd510 y Rtd510/Rtd555 (R2 > 0.80). Razones de bandas similares fueron evaluadas para Materia Detrítica Coloreada (aMDC412). Estas demostraron mejores algoritmos (R2 > 0.80) que para MODC, haciendo esta propicias para estimados de MDC. Estos algoritmos mejoraran con validación subsiguiente.