Thèse / université de bretagne occidentale

Chapter 1 
38 
 
Metal 
Protein(s) 
Function(s) 
Mn  
O2-evolving enzyme  
Oxidation of water during photosynthesis 
Superoxide dismutase  
Disproportionation of superoxide to hydrogen peroxide and O
2
 
Arginase  
Hydrolysis of arginine to ornithine and urea 
Phosphotransferases  
Phosphorylation reactions 
Ni  
Urease  
Hydrolysis of urea 
Superoxide dismutase  
Disproportionation of superoxide to hydrogen peroxide and O
2
 
Cu  
Plastocyanin  
Photosynthesis electron transport 
Cytochrome oxidase  
Mitochondrial electron transport 
Ascorbate oxidase  
Ascorbic acid oxidation and reduction 
Superoxide dismutase  
Disproportionation of superoxide to hydrogen peroxide and O
2
 
Multicopper ferroxidase  
High-affinity transmembrane Fe transport 
Co  
Vitamin B12 
C and H transfer reactions 
Cd  
Carbonic anhydrase 
Hydration and dehydration of carbon dioxide 
Mo  
Nitrate reductase 
Conversion of nitrate to ammonia 
Nitrogenase 
 N fixation 
Table  1.1:  Common  metalloproteins  present  within  marine  phytoplankton  and  associated  functions 
(from Twining and Baines, 2013). 
 
 
Some  oceanic  areas  are  particularly  productive  owing  to  the  availability  of  all  essential 
elements  described  above  due  to  their  close  vicinity  to  the  sources  (e.g.  estuaries,  coastal 
areas) or favored by physical processes (e.g. coastal upwelling, mixing of nutrient-rich water 
masses). 
However,  two  broad  regimes  of  phytoplankton  nutrient  limitations  exist  in  the  upper  ocean 
(Figure 1.7). The first one is dependent on nitrogen and phosphorus availability, which mainly 
occurs at low latitudes characterized by a slow supply of nutrients from the sub-surface. These 
areas are defined as low nutrient low chlorophyll (LNLC). The second one is intimately linked 
to  iron  availability,  which  is  limiting  in  vast  regions  of  Southern  Ocean,  Eastern  Equatorial 
Pacific, North Pacific and North Atlantic, where in contrast to Fe, N and P nutrients are not 
limiting. These areas are defined as high nutrient low chlorophyll (HNLC). 
Vitamins and other micro nutrients can also limit marine phytoplankton (Moore et al., 2013; 
Morel, 2003; Swift, 1981; Wu et al., 2000; Figure 1.7). 

---

Chapter 1 
39 
 
 
 Figure 1.7: Patterns of nutrient limitation. Backgrounds indicate annual average surface concentrations 
of nitrate (a) and phosphate (b) in µmol.kg
-1
.To assist comparison, nitrate is scaled by the mean N:P 
ratio  of  organic  matter  (that  is  divided  by  16).  Symbols  indicate  the  primary  (central  circles)  and 
secondary  (outer  circles)  limiting  nutrients  as  inferred  from  chlorophyll  and/or  primary  productivity 
increases following artificial amendment of: N (green), P (black), Fe (red), Si (orange), Co (yellow), Zn 
(cyan) and vitamin B12 (purple). Divided circles indicate potentially co-limiting elements. White outer 
circles indicate that no secondary limiting nutrient was identified, which will be because of the lack of a 
test (from Moore et al., 2013). 
 
These nutrient limitations directly impact the phytoplankton development and more generally, 
the ecosystem structures, resulting in a change of the 106C:16N:1P Redfield ratio. Indeed, 
spatial variations in the elemental stoichiometry of phytoplankton have been observed due to 
supply and limitation of nutrients but also due to specific uptake by the different phytoplankton 
communities (Hagstrom et al., 2016; Martiny et al., 2013; Rembauville et al., 2016a; Teng et 
al., 2014; Weber and Deutsch, 2010). 
It is typically the case for the Southern Ocean which is isolated from any major iron sources, 
inducing a limited primary production (Martin, 1990). However, in this HNLC Southern Ocean, 
diatoms  (the  major  phytoplankton  group  in  this  region)  can  develop  important  adaptive 
strategies to these particular conditions (Boyd et al., 2007; de Baar, 2005), such as a heavily 
silicified and thick shell, a slower growth rate and a high iron storage capacity (Boyd, 2013).  
A nutrient limitation, as seen above, drives the succession of the phytoplankton communities. 
In  the  North  Atlantic,  for  example,  a  strong  diatom  bloom  usually  thrives  during  spring, 
consuming  the  available  nutrients.  When  silicic  acid  levels  are  depleted,  there  is  then  a 
transition  from  diatoms  to  coccolithophores  (Henson  et  al.,  2006;  Sanders  et  al.,  2014). 
Moreover, at the end of the productive period, a Fe limitation or co-limitation with silicic acid 

---

Chapter 1 
40 
 
has also been reported (Nielsdottir et al., 2009) inducing seasonal  HNLC conditions in this 
area.  
These different limitations have broad implications for the oceanic ‘biological pump’ that links 
nutrient and carbon cycling.  
-  Suspended “ballast” mineral 
Ballast minerals, including lithogenic minerals (e.g. dust, clays) and biogenic minerals (BSi and 
CaCO
3
),  are  important  for  the  settling  of  POM  to  depth.  Indeed,  the  density  of  the  organic 
matter (≈ 1.05 g.cm
-3
) is almost the same as seawater (≈ 1.03 g.cm
-3
) and thus particles require 
a “ballast” effect to sink. Biogenic mineral ballast are mainly calcium carbonate (CaCO
3
) and 
biogenic silica (bSiO
2
) that form the shells of coccolithophores, pteropods, foraminifers for the 
former, and of diatoms and radiolarians respectively (Lam and Bishop, 2007). Calcite density 
is 2.71 g.cm
-3
, opal density is 2.1 g.cm
-3
 and lithogenic material density can reach 2.65 g.cm
-3
 
(e.g. quartz; Klaas and Archer, 2002). Some authors have proposed a relationship between 
the POC flux and the flux of ballast minerals in deep sediment traps (Armstrong et al., 2002; 
Francois et al., 2002; Klaas and Archer, 2002; Figure 1.8) as well as in the upper water column 
(Sanders et al., 2010; Thomalla et al., 2008).  
 
Figure 1.8: Correlations between POC and mineral fluxes collected in 52 sediment traps below 1000 m 
and around the world ocean (Klaas and Archer, 2002). 
 
The  biogenic  and  lithogenic  minerals  have  the  potential  to  control  the  fraction  of  primary 
production that reaches the seabed by protecting the organic matter from oxidation, by initiating 

---