Biogenic silica dissolution in diatom aggregates: Insights from reactive transport modelling

International audienceDiatom aggregates contribute significantly to the vertical sinking flux of particulate matter in the ocean. These fragile structures form a specific microhabitat for the aggregated cells but their internal chemical and physical characteristics remain largely unknown. Studies on the impact of aggregation on Si cycle led to what appears to be inconsistency. Despite a lower biogenic silica (bSiO2) dissolution rate and a diffusion of the silicic acid (dSi) similar in aggregate and in seawater, dSi surprisingly accumulate in aggregates. A reaction-diffusion model helps to clarify this incoherence by reconstructing dSi accumulation measured during batch experiments with aggregated and non-aggregated Skeletonema marinoi and Chaetoceros decipiens. The model calculates the effective bSiO2 dissolution rate as opposed to the experimental apparent bSiO2 dissolution rate, which results on the effective bSiO2 dissolution and transport of dSi out of the aggregate. In the model, dSi transport out of the aggregate is modulated considering alternatively retention -decrease of dSi diffusion constant- and adsorption -reversible chemical bounds between dSi and the aggregate matrix- processes. Modelled bSiO2 dissolution is modulated by the impact of dSi concentration inside aggregate and diatom viability, as enhanced persistence of metabolically active diatom has been observed in aggregates. Adsorption better explains dSi accumulation within and outside aggregates, raising the possible importance of dSi travelling within aggregates to the deep sea (potentially 20% of the total silica flux). Moreover, the model states that bSiO2 dissolution is effectively decreased in aggregates mainly due to higher diatom viability but also to other parameters discussed hereLes agrégats de diatomées contribuent de façon significative au flux vertical de matière dans l'océan. Ces fragiles structures forment un microhabitat particulier dont les caractéristiques physico-chimiques internes sont pourtant encore peu connues. Les études menées jusqu'à présent sur l'impact de l'agrégation sur le cycle du silicium conduisent à des conclusions à première vue incohérentes: malgré une vitesse de dissolution de la silice biogénique (bSiO2) plus faible dans les agrégats de diatomées, et une vitesse de diffusion de la silice dissoute (dSi) similaire à celle de l'eau de mer, la dSi s'accumule dans l'eau intersticielle des agrégats pour atteindre des valeurs jusqu'à 200 fois supérieures à celle de l'eau de mer environnante. En utilisant un modèle de reaction-diffusion qui reproduit l'accumulation de la dSi mesurée expérimentalement à l'intérieur et à l'extérieur d'agrégats monospécifiques de diatomée Skeletonema marinoii et Chaetoceros decipiens, le modèle calcule la vitesse effective de dissolution de la bSiO2 dans un agrégat. Par comparaison, la vitesse de dissolution accessible experimentalement et appelée dans cette étude "vitesse de dissolution apparente" résulte de la vitesse de dissolution effective et du transport de dSi hors de l'agrégat. Dans le modèle, le transport de dSi est modulé en considérant alternativement deux processus: la rétention qui implique un ralentissement de la diffusion de la dSi et de la constante diffusion, et l'adsorption qui est un processus reversible impliquant des liaisons faibles entre la dSi et la matrice de l'agrégat. la dissolution de la bSiO2 est modélisée en considérant l'impact de la concentration en dSi à l'intérieur de l'agrégat et la viabilité des diatomées. Les résultats montrent que des processus d'adsorption permettent de mieux reconstruire la dissolution de la bSiO2 dans un agrégats. Cette conclusion souligne l'importance du transport vertical de silice dissoute par les agrégats jusqu'aux couches profondes océaniques (potentiellement 20% du flux total de sédimentation du silicium). Deplus, le modèle tend à confirmer la diminution de la vitesse effective de dissolution de la bSiO2 dans les agrégats et non plus seulement de la vitesse de dissolution apparente. Ce ralentissement serait principalement le resultat d'une viabilité maintenue plus longtemps dans les agrégats que dans lorsque les cellules sont libres, mais aussi d'autres processus non-identifiés mais discutés dans cette étude