Abstract Food webs trace the flow of organic matter and energy among producers and consumers; for pelagic marine food webs, network complexity directly influences the amount and form of carbon exported to the deep ocean via the biological pump. Here we present a synoptic view of mixed layer food web dynamics observed during the late summer 2018 EXport Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS) field campaign in the subarctic Northeast Pacific at the long-running time-series site, Ocean Station Papa. Carbon biomass reservoirs of phytoplankton, microzooplankton, and bacterioplankton, were approximately equal while mesozooplankton biomass was 70% lower. Live organisms composed ∼40% of the total particulate organic carbon within the mixed layer: the remainder was attributed to detritus. Rates of carbon transfer among reservoirs indicated production and assimilation rates were well balanced by losses, leaving little organic carbon available for export. The slight positive net community production rate generated organic carbon that was exported from the system in the form of food web byproducts, such as large fecal pellets generated by mesozooplankton. This characteristically regenerative food web had relatively slow turnover times with small-magnitude transfers of carbon relative to standing stocks that occurred amidst a high background concentration of detrital particles and dissolved organic matter. The concurrent estimation of food web components and rates revealed that separated processes dominated the transfer of carbon within the food web compared to those that contributed to export. Plain Language Summary The biological carbon pump drives a downward flux of organic matter from the sunlit surface ocean to the vast ocean interior. Ecological interactions in the surface ocean directly affect the amount and type of carbon that is exported to the deep ocean. In this study, we present a synthesis of the late summer mixed layer food web in the Northeast Pacific that was extensively characterized during the 2018 EXport Processes in the Ocean from Remote Sensing (EXPORTS) field campaign. We found the majority of carbon was recycled within the mixed layer by microbes through multiple transfers between producers and consumers. Larger organisms, mesozooplankton and salps, only consumed a small amount of carbon but through the formation of sinking fecal pellets were the main mechanism of transporting carbon out of the system. The study highlights the need to concurrently study microbial and large organism dynamics to develop a predictive understanding of the fate of organic carbon in the oceans. Key Points The microbial loop dominated carbon flow in the late summer mixed layer food web of the North Pacific, most net production was respired leaving little carbon available for export. Active production and consumption of organic carbon occurred amid a high background of detrital particulate organic carbon (58% of total) with slow turnover time, 66 d. Mesozooplankton which had relatively minor carbon consumption rates created the majority of export production due to efficient repackaging of consumed material.

Abstract Synechococcus are the most abundant cyanobacteria in high latitude regions and are responsible for an estimated 17% of annual marine primary productivity. Despite their biogeochemical importance, Synechococcus populations have been unevenly sampled across the ocean, with most studies focused on low-latitude strains. In particular, the near absence of Synechococcus genomes from high-latitude, High Nutrient Low Chlorophyll (HNLC) regions leaves a gap in our knowledge of picocyanobacterial adaptation to iron limitation and their influence on carbon, nitrogen, and iron cycles. We examined Synechococcus populations from the subarctic North Pacific, a well-characterized HNLC region, with quantitative metagenomics. Assembly with short and long reads produced two near complete Synechococcus metagenome-assembled genomes (MAGs). Quantitative metagenome-derived abundances of these populations matched well with flow cytometry counts, and the Synechococcus MAGs were estimated to comprise >99% of the Synechococcus at Station P. Whereas the Station P Synechococcus MAGs contained multiple genes for adaptation to iron limitation, both genomes lacked genes for uptake and assimilation of nitrate and nitrite, suggesting a dependence on ammonium, urea, and other forms of recycled nitrogen leading to reduced iron requirements. A global analysis of Synechococcus nitrate reductase abundance in the TARA Oceans dataset found nitrate assimilation genes are also lower in other HNLC regions. We propose nitrate and nitrite assimilation gene loss in Synechococcus represents an adaptation to severe iron limitation in high-latitude regions where ammonium availability is higher. Our findings have implications for models that quantify the contribution of cyanobacteria to primary production and subsequent carbon export. Significance The cyanobacterium Synechococcus is a major contributor to ocean primary production and biogeochemistry. Here, we used quantitative metagenomics to assemble and enumerate two Synechococcus genomes from an iron-limited, High Nutrient Low Chlorophyll region. We show these genomes represent the majority of Synechococcus cells at the site and are the first known Synechococcus unable to assimilate either nitrate or nitrite. This gene loss is likely due to the high iron quota of these proteins and predominant availability of recycled forms of nitrogen. Synechococcus’ loss of nitrate assimilation affects their role in elemental cycles (e.g., carbon, nitrogen, and iron), limits their potential for carbon export, and enhances our understanding of Synechococcus evolution in response to nutrient limitation and competition.