Thèse / université de bretagne occidentale

Chapter 1 
28 
 
 
Figure 1.3: Global map of annual sea to air CO
2
 exchanges (in µatm; Sarmiento and Gruber, 2006). 
 
 
The atmospheric gaseous CO
2
 is dissolved and transformed into DIC within the surface ocean 
(right part of Figure 1.2): it becomes aqueous and is transformed in carbonic acid (H
2
CO
3
), 
itself in equilibrium with carbonate (CO
3
2-
) and bicarbonate (HCO
3
-
) ions (Equation 1.1). This 
last form is the most abundant in seawater, representing more than 94% of total DIC (Equation 
1.2). In parallel, we can note that CO
2
 absorption increases the ocean acidity by adding H
+
 
ions in solution. Indeed, sea surface pH increased by about 0.1 pH units since the beginning 
of the industrial revolution (Caldeira and Wickett, 2003). 
CO
2
 (g) + H
2
O ↔ CO
2
 (aq) + H
2
O ↔ H
2
CO
3
 
↔ H
+
 + HCO
3
-
 ↔ 2H
+
 + CO
3
2-
      (Equation 1.1) 
CO
2
 (aq) + H
2
O + CO
3
2-
 → 2 HCO
3
-  
   (Equation 1.2) 
At high latitudes, where temperature is low and CO
2
 is more soluble (Figure 1.3), the DIC can 
be transferred to the deep ocean through deep water formation. The depth at which DIC is 
transported via the circulation is important as the DIC can be sequestered by ocean, i.e. not 
exchangeable with atmosphere, for longer time scales, from weeks in surface to centuries at 
3000 m depth. 

---

Chapter 1 
29 
 
1.1.2.2. 
The biological pump 
In  1934,  Redfield  noticed  that  the  growth,  sinking  and  remineralization  of  phytoplankton 
generate  a  difference  of  carbon  concentrations  between  surface  and  deep  waters.  This 
difference  was  named  “soft-tissue  carbon  pump”  by  Volk  and  Hoffert  (1985)  better  known 
nowadays as the biological carbon pump (BCP). The biological pump is a suite of biologically 
mediated processes (left part of Figure 1.2) that consist of surface production and subsequent 
sinking  and  remineralization  of  organic  matter  (Figure  1.4).  These  steps  are  described  in 
details in section 1.2.1. 
 
Figure 1.4: Simplified view of the biological carbon pump (S. Hervé, IUEM). 
 
In  surface  waters,  phytoplankton  assemblages  take  up  nutrients  and  DIC  during 
photosynthesis and convert it into particulate organic matter (POM) and biomineral compounds 
(calcium carbonate, also named calcite - CaCO
3
, for coccolithophores or biogenic silica, also 
named opal – BSi, for diatoms). Photosynthesis is a reductive chemical reaction transforming 
CO
2
 and H
2
O into organic molecules (e.g. sugars; Equation 1.3). 
6CO
2
 + 6H
2
O + light   →   C
6
H
12
O
6
 + 6O
2
    (Equation 1.3) 

---

Chapter 1 
30 
 
This  carbon  fixation,  also  defined  as  primary  production  (PP)  in  surface  waters,  produces 
particulate organic carbon (POC) which can then be exported to the deep ocean through the 
sinking of organic particles.  
This organic matter can be consumed by zooplankton through grazing, which then excretes 
fecal pellets and DOC. POC can also be remineralized from the particulate to the dissolved 
phase, and oxidized from the organic to the inorganic form (DIC) through bacterial activity or 
zooplankton respiration. If this remineralization occurs in the surface ocean, the released CO
2
 
can be then transferred back to the atmosphere.  
As a result, only a small fraction of POC (< 0.1 Pg C.year
-1
) reaches the seabed, trapping the 
carbon for thousands to hundreds of thousand years (Sabine and Feely, 2007). 
1.1.2.3. 
The carbonate pump 
Another important part of the biological pump involves the formation of PIC via the precipitation 
of calcium carbonate by specific plankton species such as coccolithophores, foraminifera and 
pteropods (e.g. Emilio et al., 1993). These calcifying species directly use DIC to synthesize 
their  carbonate  shell,  thereby  releasing  CO
2
  (Equation  1.4).  This  process  is  known  as  the 
carbonate counter pump (left part of Figure 1.2). 
Ca
2+
 + 2HCO
3
-
 ↔ CaCO
3
 + CO
2
 + H
2
O       (Equation 1.4) 
The precipitation of carbonates results in an increase of the surface ocean pCO
2
 (Frankignoulle 
et al., 1993) on timescales of 100-1000 years (Zeebe, 2012). However, an opposite effect of 
the carbonate counter pump is the increased organic carbon export flux to the deep ocean (0.1 
Pg  C.year
-1
;  Sabine  and  Feely,  2007),  ballasted  by  the  calcium  carbonate  (Francois  et  al., 
2002). 
1.1.2.4. 
The microbial pump 
The majority of the organic matter is remineralized by respiration, releasing CO
2
 back to the 
atmosphere. However, a large reservoir of dissolved organic carbon (DOC) exists, in which 
95% is recalcitrant DOC (RDOC). Being resistant to biological decomposition, the RDOC can 
persist in the ocean for at least 100 years and represents  thus a reservoir  for carbon. The 

---

Chapter 1 
31 
 
origin of this RDOC is still misunderstood but some authors have suggested that RDOC may 
be formed by the microbes ‘pumping’ the bioavailable DOC into this RDOC (Jiao et al., 2010; 
Legendre et al., 2015). 
 
Physical transfers of carbon via the solubility pump are one order larger in magnitude than the 
carbon export via the biological pump (265 Pg C.yr
-1
 compared to 11 Pg C.yr
-1
) but in obduction 
regions,  the  carbon  related  to  the  solubility  pump  is  released  back  to  the  atmosphere              
(276 Pg C.yr
-1
; Levy et al., 2013). 
Sarmiento and Gruber (2006) have compared the impact of the oceanic pumps on the surface-
to-deep gradient of DIC concentrations (ΔsDIC; Figure 1.5). The authors have estimated that 
the biological carbon pump (ΔC
soft
) is responsible for 70% of the DIC  increase in the deep-
waters whereas the solubility pump (ΔC
gas-ex
) and the carbonate counter pump (ΔC
carb
) account 
for 10 and 20% respectively of the observed gradient. This finding clearly highlights that the 
biological  carbon  pump  is  the  most  important  process  controlling  the  distribution  of  DIC  in 
ocean and therefore the atmospheric CO
2
 concentrations.  
 
Figure 1.5: Contribution of the different carbon pump components (the solubility pump ΔC 
gas-ex
; the 
carbonate counter pump ΔC 
carb
; and the biological carbon pump ΔC 
soft
) to DIC increase in the deep 
ocean (Gruber and Sarmiento, 2006). 
 
In the following section, the biological pump will be at the core of the different chapters. 

---