Thèse / université de bretagne occidentale

Chapter 1 
35 
 
 
Macronutrients 
Redfield et al. (1963) discovered that relatively invariant elemental ratios of C, N, and P found 
in  marine  organisms  are  intimately  entwined  with  the  co-variation  (106C:16N:1P)  of  these 
elements in the ocean.  
Dissolved phosphorous is present in seawater under the phosphate form (PO
4
3-
; < 0.1 – 3.0 
µmol.L
-1
).  Important  inputs  of  PO
4
3-
  are  delivered  through  riverine  runoff,  atmospheric 
deposition and submarine groundwater discharge (e.g. Paytan and McLaughlin, 2007). In polar 
areas,  ice sheets  could  also  bring  large  quantities  of  P  in solution  (Hawkings  et  al.,  2016). 
These PO
4
3-
 sources fuel phytoplankton blooms in surface waters but in some regions, like in 
the subtropical Sargasso Sea, P has been reported to limit the phytoplankton developments 
(Wu et al., 2000). Phosphorus is easily remineralized in the water column (Clark and Ingall, 
1998),  and  its  preferential  remineralization  compared  to  C  is  explained  by  the  more  labile 
nature of organic compounds containing P (Berner, 1980).  
Inorganic nitrogen is mainly present in the marine system as nitrate (NO
3
-
) but also under other 
forms  such  as  ammonium  (NH
4
+
),  nitrite  (NO
2
-
),  nitrous  oxide  (N
2
O),  nitric  oxide  (NO)  and 
dinitrogen (N
2
) and is brought through the rivers, the atmospheric depositions or the N
2
 fixation 
(Capone et al., 2005; Gruber, 2008). Ammonium (< 0.3 – 1.2 µmol.L
-1
) is the preferred source 
of nitrogen for phytoplankton because its assimilation requires less energy (Zehr and Ward, 
2002). Nitrate uptake requires more energy but since nitrate concentrations are more abundant 
in the ocean (< 1 - 35 µmol.L
-1
), most phytoplankton have the enzymes to initiate the reduction 
of NO
3
-
 in order to grow (nitrate reductase), with the exception of prokaryote species such as 
Synechococcus (Moore et al., 2002). Phytoplankton can also use NO
2
-
 as a nitrogen source 
but its concentration in the ocean is usually low (< 0.2 – 1.5 µmol.L
-1
). Another important source 
of N, when the other forms are exhausted or when the N/P ratio is not “Redfieldian”, (with P 
being in excess compared to N in Redfield stoichometry) is via the biological N
2
 fixation which 
transforms  N
2
  into  PON.  Organisms  able  to  fix  dissolved  N
2
,  called  diazotrophs,  are  found 
among  free  and/or  symbiotic  cyanobacteria  some  filamentous  such  as  bloom  forming 

---

Chapter 1 
36 
 
Trichodesmium spp. (Capone et al., 1997; Carpenter et al., 1999), Richelia (Foster et al., 2007; 
Foster and Zehr, 2006) and others unicellullar diazotrophic cyanobacteria (Zehr et al., 2001) 
as  well  as  heterotrophic  bacteria  (Zehr  et  al.,  1998).  Once  phytoplankton  has  satisfied  its 
nitrogen demand for growth, the different dissolved nitrogen forms are transformed in PON. 
Most of the PON is returned back to dissolved inorganic nitrogen by remineralization processes 
generated  by  bacteria:  ammonification  transforming  PON  to  NH
4
+
,  nitrification  transforming 
NH
4
+
 to NO
2
-
 (ammonium oxidation) and then NO
2
-
 to NO
3
- 
(nitrite oxidation or true nitrification). 
In the ocean, the fluxes of PON to the seabed are small. The major sink for nitrogen is the 
denitrification  transforming  the  NO
3
- 
  into  N
2
  in  low  oxygen  environment  (oxygen  minimum 
zones,  shelf  or  margin  sediments),  leading  to  a  nitrogen  loss  through  the  atmosphere 
(Galloway et al., 2004; Gruber, 2004). In addition, nitrogen is also lost as N
2
O produced during 
the nitrification as well as during denitrification. 
Silicic acid (H
4
SiO
4
 or dSi) is also considered as a macronutrient and is particularly essential 
for  some  plankton  taxa  known  as  silicifiers  such  as  diatoms  (autotrophic  phytoplankton), 
silicoflagellates and radiolarians (heterotrophic zooplankton), as they use it to build their shells 
which is then referred as biogenic silica (BSi or bSiO
2
). Silicic acid is brought to the ocean 
essentially via the rivers (about 66% of the total net inputs, Tréguer and De La Rocha, 2013) 
and  its  concentrations  vary  from  <  0.2  to  170  µmol.L
-1
.  In  the  world  ocean,  56%  of  BSi  is 
recycled in the upper 100m and the remaining fraction is transported to the deep ocean where 
BSi can also undergo dissolution. Only 3% of BSi is estimated to reach the seafloor (Tréguer 
and De La Rocha, 2013). 
Micronutrients 
Other elements, such as the following metals: Fe, Zn, Mn, Ni, Cu, Co, Cd, Mo that are present 
at subnanomolar concentrations in seawater exert a  key role in many  metabolic  processes 
(Table  1.1)  and  are  referred  as  key  micronutrients.  As  a  result,  the  oceanic  trace  element 
biogeochemical cycles have been intensely studied over the past decade (e.g. see review in 
SCOR working group, 2007). Their sources are very diverse being atmospheric (e.g. Jickells 

---

Chapter 1 
37 
 
et al., 2005; Shelley et al., 2015), riverine (e.g. de Baar and Jong, 2001), sedimentary (e.g. 
Bruland and Lohan, 2008), hydrothermal (e.g. Tagliabue et al., 2010), cold seep vents (e.g. 
Lemaitre et al., 2014), ice melting (e.g. Lannuzel et al., 2011), anthropogenic (e.g. Gao et al., 
2014), groundwater discharge (e.g. Trezzi et al., 2016), extraterrestrial (e.g. Johnson, 2001) 
or volcanic activity (e.g. Achterberg et al., 2013), shelves (Elrod et al., 2004). However, only a 
small  fraction  of  trace  metals  originating  from  these  sources  is  soluble  in  seawater  and 
accessible to the phytoplankton. In the surface, a significant fraction of trace metals is bound 
to strong organic  complexes, that increase their solubility and can favor their bioavailability 
(e.g.  Gledhill  and  Buck,  2012;  Rue  and  Bruland,  1995).  Some  trace  metals  are  easily 
scavenged  onto  particles  and  are  subsequently  removed  from  the  surface  waters  when 
particles sink. In the mesopelagic layer, trace metals are also affected by bacterial activity, at 
different remineralization rates. For example, Twining et al. (2014) have shown that Ni or Zn 
were remineralized faster than Fe.  
 
Metal 
Protein(s) 
Function(s) 
Fe 
Cytochromes 
 Electron transport in photosynthesis and respiration 
Ferredoxin 
Electron transport in photosynthesis and N fixation 
Other Fe-S proteins 
Electron transport in photosynthesis and respiration 
Nitrate and nitrite 
reductase  
Conversion of nitrate to ammonia 
Chelatase  
Porphyrin and phycobiliprotein synthesis 
Nitrogenase  
N fixation 
Catalase  
Conversion of hydrogen peroxide to water 
Peroxidase  
Reduction of reactive oxygen species 
Superoxide dismutase  
Disproportionation of superoxide to hydrogen peroxide and O
2
 
Zn 
Carbonic anhydrase  
Hydration and dehydration of carbon dioxide 
Alkaline phosphatase  
Hydrolysis of phosphate esters 
RNA polymerase  
Nucleic acid replication and transcription 
tRNA synthetase  
Synthesis of tRNA 
Reverse transcriptase  
Synthesis of single-stranded DNA from RNA 
Carboxypeptidase  
Hydrolysis of peptide bonds 
Superoxide dismutase  
Disproportionation of superoxide to hydrogen peroxide and O
2
 
 
 

---