Rapp. Comm. int. Mer Médit., 36,2001

129

Introduction

The deep ocean inventory of dissolved organic carbon (DOC) is

approximately 550 GT, comprising one of the Earth’s largest carbon

reservoirs. Despite its potential significance, many of the basic chem-

ical and dynamic processes that collectively determine the cycling of

DOC in the ocean are still poorly understood. Chemical characteriza-

tion of high molecular weight (HMW) DOC, recovered by ultrafiltra-

tion, showed that a large fraction of DOC is a structurally well-defined

class of acylated polysaccharides (APS) (1,2). 

A possible mechanism for the removal of APS from the euphotic

zone is coagulation or adsorption onto settling particles. Previous

studies have shown that transparent exopolymer particles (TEP) can be

formed from extracellular polysaccharides, which are considered to

control the formation of marine snow during diatom blooms (3,4). In

order to investigate this mechanism, we focused on the chemical char-

acterization of particulate material produced both naturally and artifi-

cially after bubble-stripping of DOM. Two different types of surface-

active material have been analyzed: i) particulate material (foam) pro-

duced after bubbling of HMW DOM (isolated from an algae culture)

and ii) natural foam samples, collected from an enclosed coastal

marine site (Salt Pond, Woods Hole, U.S.A.).

Methods and Materials

Foam samples, culture DOM and residual (bubble-stripped) sam-

ples were chemically characterized by proton-nuclear magnetic reso-

nance spectroscopy (1H-NMR), elemental analysis, spectrophotome-

try (bulk carbohydrate and transparent exopolymer particle concentra-

tions) and molecular level analysis (monosaccharides) (5).

Results and Discussion

1

H-NMR and molecular level analysis revealed that both mechani-

cally and naturally-produced particles are rich in polysaccharides. 

1

H-NMR spectra showed that the major resonance in both natural and

artificial foam is from polysaccharides (3-4 p.p.m (CHOH), and 1.3

p.p.m (CH

3

)). Resonances for low-molecular weight, non-acetate

lipids were present at 0.9 p.p.m (CH

3

) and 1.3 p.p.m (CH

2

), for acetate

at 2.0 p.p.m (CH

3

COO/N) and for proteins between 2.8-1.5 p.p.m.

Proton-NMR spectra revealed that there are strong similarities in the

chemical structure of seawater HMW DOC and surface-active partic-

ulate material.

Both naturally and artificially produced HMW DOM and foam

samples have similar monosaccharide distribution pattern. Galactose

was observed to be the most abundant sugar, with mannose, fucose,

rhamnose, xylose and glucose being relatively less abundant, and ara-

binose being the least abundant monosaccharide. Foam samples were

enriched in deoxysugars (fucose and rhamnose) and galactose, and

were depleted in glucose compared to the HMW DOM. Our results

show that POM with similar chemical characteristics to HMW DOM

can be produced from algal-derived DOM.

One possible mechanism by which APS may be introduced to the

deep ocean is hydrolytic cleavage and release from settling macroag-

gregates. In order to assess the importance of this mechanism, a sec-

ond series of experiments has been carried out. Marine aggregates col-

lected during a diatom bloom from Buzzards Bay (Woods Hole,

USA), and settling particles collected by sediment traps in the Arabian

Sea and the Southern Ocean were chemically characterized. Samples

were extracted with 100 mM Na

2

EDTA solution in order to separate a

‘soluble’carbohydrate fraction, which is associated with the particu-

late matter.

Neutral monosaccharides in total particulate samples and the ‘solu-

ble’Na

2

EDTA extract showed different sugar distribution patterns. In

the former, glucose was the most abundant sugar (79%), with a low

contribution from galactose (7%) and mannose (5%) and with a minor

contribution from the rest of the sugars (3%). In the ‘soluble’extract,

glucose and galactose were found more abudant (34% and 24 %,

respectively), with mannose (15%), fucose (9%), rhamnose (9%),

xylose (6%) and arabinose (1%) contributing less. The former distri-

bution resembles that of marine POM, while the latter is similar to that

of foam and seawater HMW DOM. These results imply that soluble

and insoluble polysaccharides are two distinct classes of particulate

organic matter, and can be distinguished by their neutral sugar com-

position.

In accordance with our results, radiocarbon measurements support

the hypothesis that newly-produced DOM is introduced to the deep

ocean. APS isolated from the deep ocean DOM have a young radio-

carbon age (Repeta et al., in preparation), while deep-sea total DOM

yields very old apparent ages (4000-6000) (6). Moreover, experiments

with laboratory-produced soluble polysaccharides suggest that they

can spontaneously form microgels and larger aggregates in seawater

(7). Further research is needed in order to highlight the DOC pumping

through settling particles and the implications of this phenomenon on

the estimation of carbon budgets in the ocean. 

References

1. McCarthy M., Hedges J.I., and Benner R., 1996. Major biochemical

composition of dissolved high molecular weight organic matter in

seawater.Mar. Chem 55: 282-297.

2. Aluwihare L.I., Repeta D.J., Chen R.F, 1997. A major biopolymeric

component to dissolved organic carbon in surface seawater.Nature387:

166-169.

3. Passow U., Alldredge A.L., and Logan B.E., 1994. The role of

particulate carbohydrate exudation on the ?occulation of diatom blooms.

Deep-Sea Res.II 41: 335-357.

4. Mopper K, Zhou J., Sri Ramana K., Passow U., Dam H.G., Drapeau

D.T., 1995. The role of surface-active carbohydrates in the ?occulation of

a diatom bloom in a mesocosm. Deep-Sea Res.II 42 : 47-73.

5. Gogou A. and Repeta D., 2000. Ocean Sciences Meeting, San Antonio,

Texas: 157-158.

6. Druffel E. R. M., Williams P.M., Bauer J.E., and Ertel. J.R., 1992.

Cycling of dissolved and particulate organic matter in the open ocean.

Journal of Geophysical Res.97 : 15639-15659.

7. Chin, W.C., Orellana, M.V., Verdugo P., 1998. Spontaneous assembly

of marine dissolved organic matter into polymer gels. Nature391: 568-

572.

CHEMICAL CHARACTERIZATION OF DOC AND POC IN SEAWATER:

DO PARTICLES PUMP DOC TOTHE DEEP OCEAN?

Alexandra Gogou*, Daniel J. Repeta and Susumu Honjo

Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, U.S.A. 

*Present address : LPCM, Universite P. et M. Curie,  Paris, France - gogou@ccr.jussieu.fr

Abstract

In order to highlight the mechanisms that link the oceanic DOM and POM pools, we studied the chemical structure of: a) surface active

POM (foam), produced after bubbling of algal-derived DOM and b) aggregate and sinking POM collected from the surface and the deep

ocean. 1H-NMR spectra and molecular level analysis of foam samples resemble those of oceanic high molecular weight (HMW) DOM,

showing an important contribution from polysaccharides, along with contributions from lipids, proteins and acetate. Furthermore, bulk and

molecular analysis of aggregate and sediment trap material showed that there are two distinct classes of polysaccharides in these samples,

the insoluble and soluble ones, which can be distinguished by their neutral sugar composition. The results of our study put additional

evidence to two hypothesis: 1) physical removal by macroaggregates could control HMW DOM concentrations in surface seawater and 2)

hydrolytic cleavage and release of HMW DOM from sinking macroaggregates might be of importance for the introduction of newly

produced DOM to the deep ocean.