Properties and dynamics of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in Eastern Mediterranean waters

Abstract

The purpose of this study is to investigate the optical properties of Dissolved Organic Matter (DOM) and to gain information regarding the nature and transformation processes of DOM in a large region of the Eastern Mediterranean Sea covering the Marmara Sea, the North-Central and South Aegean Sea, the Ionian Trench and Northwestern Levantine Sea as well as Sperchios River and Maliakos Gulf. A secondary purpose of this study is to get insights into autochtonous CDOM production. Chromophoric Dissolved Organic Matter(CDOM) and Fluorescent Dissolved Organic Matter (FDOM) are used for the characterization of the optical properties of DOM but they can also provide information about DOM composition and track transformation processes. CDOM is the fraction of DOM that has the ability to absorb light in the UV-visible region of the electromagnetic spectrum. FDOM is the fraction of CDOM that additionally has the ability to fluorescence upon excitation. CDOM is of significant ecological importance as is a major factor in the light attenuation in the sea impacting the primary production. In order to achieve the purposes of this study, absorption spectra in the UV-visible region and fluorescence Excitation and Emission Matrices (EEMs) were obtained while Parallel Factor Analysis (PARAFAC) was applied for the identification of the fluorescent components. Our results show the distinct optical print of rivers and that their influence in the coastal waters is better tracked through fluorescence analysis. CDOM/FDOM dynamics at the surface of Marmara Sea deviate from the observed summer pattern in open seas while Black Sea Water (BSW) outflowing the Dardanelles introduce significant amounts of CDOM, aminoacid-like and humic-like substances in North Aegean Sea (NAS). The influence of BSW and the established optical properties in NAS presents seasonal variations. Photodegradation appears to be a major sink of CDOM and humic substances at the surface layer of the Aegean Sea. Contrary in mesopelagic and bathypelagic layers microbial activity seems to leed to the depletion of amino acid-like substances and the production of humic nature DOM. Overall our results suggest that CDOM and FDOM can provide important information regarding DOM composition and its dynamics (sources and sinks) in various water bodies.

Ο σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση των οπτικών ιδιοτήτων της Διαλυτής Οργανικής Ύλης, DOM, σε μια μεγάλη περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου η οποία καλύπτει τη Θάλασσα του Μαρμαρά, το Βόρειο-Κεντρικό και Νότιο Αιγαίο, το Νότιο Ιόνιο, τη Βορειοδυτική Θάλασσα της Λεβαντίνης καθώς και το Σπερχειό Ποταμό. Δευτερέυων στόχος της διατριβής είναι να μελετήσει την αυτόχθονη παραγωγή της CDOM. Για τον χαρακτηρισμό των οπτικών ιδιοτήτων της DOM καθώς και στη διερεύνηση της χημική σύνθεσης της DOM και στον προσδιορισμό διεργασιών μετασχηματισμού χρησιμοποιούνται η Χρωμοφόρα Διαλυτή Οργανική Ύλη (CDOM) και η Φθορίζουσα Διαλυτή Οργανική Ύλη (FDOM). Η CDOM είναι το τμήμα της DOM που έχει την ικανότητα να απορροφά ακτινοβολία στο υπεριώδες και ορατό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η FDOM είναι το τμήμα της CDOM που επιπλέον παρουσιάζει φθορισμό. Η CDOM παρουσιάζει μεγάλη οικολογική σημασία καθώς είναι από τους κυριότερους παράγοντες που ευθύνονται για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας στα φυσικά ύδατα επηρεάζοντας τις φωτοσυνθετικές διεργασίες. Για το σκοπό της εργασίας λήφθηκαν φάσματα απορρόφησης καθώς και φάσματα φθορισμού Excitation Emission Matrices. Για την ταυτοποίηση των φθοριζόντων στοιχείων πραγματοποιήθηκε ανάλυση Parallel FactorAnalysis, PARAFAC. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι τα ιδιαίτερα οπτικά χαρακτηριστικά των ποταμών και η επίδρασή τoυς στα παράκτια ύδατα μπορούν να προσδιοριστούν καλύτερα μέσω του φθορισμού. Η επιφάνεια της Θάλασσας του Μαρμαρά παρουσιάζει οπτικές ιδιότητες οι οποίες αποκλίνουν από τις παρατηρούμενες στις ανοικτές θάλασσες. Η Μαύρη Θάλασσα φαίνεται να εισάγει σημαντικές ποσότητες CDOM καιFDOM πρωτεϊνικής και χουμικής φύσεως στο Βόρειο Αιγαίο επηρεάζοντας τις οπτικές ιδιότητες της περιοχής και παρουσιάζοντας ταυτόχρονα εποχιακές διακυμάνσεις. Η φωτοδιάσπαση φαίνεται να είναι καθοριστικός παράγοντας αποικοδόμησης της CDOM και της FDOM χουμικής φύσεως στην επιφάνεια του Αιγαίου. Αντίθετα σε μεσοπελαγικά και βαθυπελαγικά νερά η μικροβιακή δραστηριότητα φαίνεται να οδηγεί σε εξάντληση των φθοριζόντων ουσιών πρωτεϊνικής φύσεως και στην παραγωγή χουμικών ενώσεων.Συνολικά η παρούσα εργασία δείχνει ότι η ανάλυση της CDOM και FDOM μπορεί να παρέχει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τη σύνθεση της DOM και να παρακολουθήσει χημικές διεργασίες αλλοίωσης στις οποίες υπόκειται.