Photosynthetic efficiency of phototrophic plankton and bio-optical variability as influenced by mesoscale processes in the eastern Caribbean basin

Abstract

This study comprises an analysis of photosynthetic potential of phototrophic plankton in eastern Caribbean Sea near-surface waters as influenced by the action of mesoscale processes. The massive freshwater plume from the Orinoco River and mesoscale cyclonic and anti-cyclonic eddies are two common types of features in the Eastern Caribbean Sea. The physiological state of phototrophic plankton was addressed by measuring its photosynthetic efficiency using a fast repetition rate fluorometer (FRRF) throughout the region. The Fv/Fm parameter measures the changes in phototrophic plankton physiology by a rapid, noninvasive assessment of in vivo fluorescence signatures. The FRRF provided fast and accurate quantification of changes in productivity in response to environmental forcing at the ecologically relevant scales of mesoscale processes. Enhanced biological activity has been associated with these features which stimulate the input of limiting nutrients into the euphotic zone. FRRF measurements showed that photosynthetic efficiency varied vertically in areas of upward pycnocline displacement of isohalines and thermal structures suggesting that nutrient upwelling is responsible for the higher photosynthetic efficiency observed at surface. The influence of the Orinoco River plume on the photosynthetic potential demonstrated increased Fv/Fm close to the surface, decreasing with depth, suggesting a relationship with river originated material. Independent measurements of photosynthetically mediated 14C uptake produced a strong linear relationship (r = 0.91) with the FRRF-based primary productivity estimates for data collected throughout the region. These estimates covaried with satellite-based estimates of primary production through the environmental gradients created by the Orinoco River plume. Correlation analysis was used to describe the relationship between phototrophic plankton physiological state (Fv/Fm) and independent measurements of bio-optical variables.The beam attenuation to chlorophyll ratio (cp *) demonstrated inverse correlation with Fv/Fm as a result of the baroclinic instabilities created by eddies. The phytoplankton specific absorption coefficient (aph) showed reduced absorption in the region of 442 nm apparently in response to increased package effect for waters under the influence of the river plume. Variations in the aph slope were associated to a decrease in the quantum yield for carbon fixation in samples from oceanic waters far from the direct influence of the Orinoco River plume.

Este estudio comprende un análisis del potencial fotosintético del plancton fototrófico en aguas superficiales del Mar Caribe oriental según son definidas por la acción de procesos a meso-escala. Remolinos a meso-escala ciclónicos y anti-ciclónicos y las plumas masivas de aguas dulce del Río Orinoco son fenómenos comunes en el Mar Caribe. El estado fisiológico del plancton fototrófico fue estudiado usando un fluorόmetro de repetición rápida (FRR), para medir su eficiencia fotosintética (Fv/Fm) a través de la región. El parámetro Fv/Fm mide los cambios en la fisiología del plancton fototrófico con una evaluación rápida y no invasiva de las señales de fluorescencia en vivo. El FRR provee una cuantificación rápida y precisa de los cambios en productividad en respuesta a presiones ambientales a las escalas ecológicamente relevantes de procesos a meso-escala. El aumento en actividad biológica ha sido asociada a estos fenomenos, los cuales estimulan la incursión de nutrientes limitantes en la zona eufótica. Las medidas del FRR mostraron que la eficiencia fotosintética varió verticalmente en áreas de desplazamiento de la picnoclina hacia la superficie de estructuras isohalinas y estructuras termales sugiriendo que el afloramiento de nutrientes es responsable por la alta eficiencia fotosintética observada en superficie. La influencia del frente del Río Orinoco en el potencial fotosintético demostró incrementos en Fv/Fm cerca de superficie disminuyendo con profundidad, sugiriendo una relación con el material originado en el río. Los estimados de producción primaria basados en el FRR demostraron una relación lineal robusta (r = 0.91) con medidas independientes por estimados de 14C obtenidos a través de la región. Estos estimados covariaron con estimados de productividad primaria realizados con datos de satélite, a través del gradiente ambiental creado por el Río Orinoco. Medidas bio-ópticas independientes también fueron consideradas en este estudio y asociadas al estado fisiológico del plancton fototrófico. La razón de atenuación del haz (cp *) con clorofila-a demostró una relación inversa con Fv/Fm como resultado de las inestabilidades baroclínicas creadas por los remolinos. El coeficiente de absorción específica de fitoplancton (aph) demostró una absorción reducida en la región de 442 nm aparentemente en respuesta al efecto de paquete en las aguas influenciadas por la pluma del rio. Variaciones en la pendiente de (aph) fueron asociados a una disminución en la taza quántica de fijación de carbono en las muestras de aguas oceánicas lejos de la influencia directa de la pluma del Río Orinoco.