Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

219

MEDFLUX: ASSOCIATION OF ORGANIC MATTER WITH BALLAST MINERALS IN SINKING PARTICLES

Lee Cindy

1

*, Armstrong Robert A.

1

, Wakeham Stuart G.

2

, Peterson Michael L.

3

, Cochran J. Kirk

1

, 

Miquel Juan Carlos

4

, Masqué Pere

5

, Goutx Madeleine

6

1

Marine Sciences Research Center, Stony Brook University, Stony Brook, NY, USA, *cindylee@notes.cc.sunysb.edu

2

Skidaway Institute of Oceanography, Savannah, GA, USA, stuart@skio.peachnet.edu

3

Department of Oceanography, University of Washington, Seattle, WA, USA, mlpmlp@u.washington.edu

4

Marine Environment Laboratory, IAEA, Monaco, j.c.miquel@iaea.org

5

Institut de Ciència i Tecnologia Ambientals, Universitat Autònoma de Barcelona, Bellaterra, Spain, Pere.Masque@uab.es

6

Laboratoire de Microbiologie Marine, Campus de Luminy, Marseille, France, goutx@com.univ-mrs.fr

Abstract

Recent evidence points to a relatively constant ratio of organic matter to mineral ballast in particles sinking in the deep ocean. We hypoth-

esize that ballast minerals physically protect a fraction of their associated organic matter, and that this protected OM dominates over the

unprotected fraction deeper in the water column. We suggest that the ratio of organic carbon to ballast may be key to predicting variabil-

ity in export ?uxes and sinking velocities of organic carbon as estimated using radiotracers. Using data collected at the DYFAMED site in

the western Mediterranean, we present results that bear on these hypotheses.

Keywords: organic mater, ballast minerals, sediment trap, particulate matter

We recently hypothesized that minerals produced by organisms, or

introduced into the surface ocean by winds, critically in?uence carbon

export to the deep ocean and sediments (1). Minerals typically consti-

tute more than half the mass of sinking particles, and are important for

making less dense organic matter sink (2). Minerals may also protect

organic matter from degradation, allowing it to penetrate deeper into

the ocean. We demonstrated (a) that ratios of particulate organic car-

bon to mineral ballast converge to a nearly constant value (~6 wt%

OC) at depths >1800 m (1), and (b) that decreases in ?ux of over two

orders of magnitude are attended by minimal changes in bulk organic

composition (3). Because these patterns are the hallmark of physical

protection, we hypothesize that a substantial fraction of particulate

organic matter raining through marine water columns is protectively

associated with mineral grains. Thus, the types and amounts of min-

eral ballast introduced to the surface ocean may be critical, although

largely overlooked, determinants of the ocean’s ability to take up and

store bioactive elements.

Data obtained from the DYFAMED site in the western Mediter-

ranean bear on these hypotheses. Besides our standard in-situ pump,

Niskin bottle, and IRS sediment traps, we used for the first time a new

conical, free-?oating NetTrap, an elutriator, and an IRS trap in the

sinking velocity mode. The sinking velocity mode allowed collection

of particles with sinking rates from 1-1000 m/d. We measured a large

suit of organic and inorganic parameters. 

At 200 m, mass ?uxes decreased from about 1000 mg/m

2

/d in early

March to about 10 mg/m

2

/d in early July. Sediment traps operated in

a “sinking velocity” mode were used to obtain a sinking velocity pro-

file. The IRS valve used to prevent the entrance of swimmers into the

trap was rotated once each day to allow particles to fall into the trap.

The trap collector cups were then rotated in a time-sequence that

allowed us to determine the particle settling rate within the trap. The

sorted particles could then be retrieved and subjected to analysis.

Fig.1 shows the mass ?uxes at the settling velocities measured. Most

material settled at around 200 m/d. Chemical analysis of this materi-

al includes organic, inorganic and radiochemical parameters. Fig. 2

shows the results of preliminary analyses of percent organic and inor-

ganic carbon and total nitrogen. The C/N ratio does not change great-

ly over the velocity profile. However, the %OC, and less so the OC/IC,

increases towards the slower settling velocities. Given that much of

the mass not represented by OC, IC and TN is due to mineral ballast,

these results suggest that the OC/ballast ratio is higher for more slow-

ly settling material. In addition, the fact that %OC increases more than

OC/IC at lower settling rates suggests that other materials, e.g., bio-

genic silica, may be more important ballast than IC at 200m. Further

chemical analyses will show whether organic matter composition

changes with settling velocity.

Fig. 2. Organic carbon and total nitrogen (black bars) ?uxes, C/N ratio,

inorganic carbon ?ux, and OC/IC ratio at 200 m measured at different set-

tling velocities.

References

1-Armstrong R.A., Lee C., Hedges J.I., Honjo S., and Wakeham S.G.,

2002. A new, mechanistic model for organic carbon ?uxes in the ocean,

based on the quantitative association of POC with ballast minerals. Deep-

Sea Res. II, 49: 219-236.

2-Klaas C., and Archer D.E., 2002. Association of sinking organic mat-

ter with various types of mineral ballast in the deep sea: Implications for

the rain ratio. Global Biogeochem. Cycles, 16: Art. No. 1116.

3-Hedges J.I., Baldock J.A., Gélinas Y., Lee C., Peterson M.L., and

Wakeham S.G., 2001. Evidence for non-selective preservation of organic

matter in sinking marine particles. Nature,409: 801-804.

Fig. 1. Mass ?uxes at 200 m measured at different settling velocities.