Abstract Metabolites, or the small organic molecules that are synthesized by cells during metabolism, comprise a complex and dynamic pool of carbon in the ocean. They are an essential form of information, linking genotype to phenotype at the individual, population and community levels of biological organization. Characterizing metabolite distributions inside microbial cells and dissolved in seawater is essential to understanding the controls on their production and fate, as well as their roles in shaping marine microbial food webs. Here, we apply a targeted metabolomics method to quantify particulate and dissolved distributions of a suite of biologically relevant metabolites including vitamins, amino acids, nucleic acids, osmolytes, and intermediates in biosynthetic pathways along a latitudinal transect in the western Atlantic Ocean. We find that, in the euphotic zone, most particulate or intracellular metabolites positively co-vary with the most abundant microbial taxa. In contrast, dissolved metabolites exhibited greater variability with differences in distribution between ocean regions. Although fewer particulate metabolites were detected below the euphotic zone, molecules identified in the deep ocean may be linked to preservation of organic matter or adaptive physiological strategies of deep-sea microbes. Based on the identified metabolite distributions, we propose relationships between certain metabolites and microbial populations, and find that dissolved metabolite distributions are not directly related to their particulate abundances.

Abstract Organic carbon in seawater plays a significant role in the global carbon cycle. The concentration and composition of dissolved organic carbon, operationally defined in this project as organic carbon that passes through a 0.2 µm filter, reflect the activity of the biological community and chemical reactions that occur in seawater. From 2016 to 2019, we repeatedly sampled the oligotrophic northwest Sargasso Sea in the vicinity of the Bermuda Atlantic Time-series Study site (BATS) to quantitatively follow known compounds within the pool of dissolved organic matter in the upper 1000 meters of the water column. Dissolved metabolite concentrations revealed patterns with depth and time with most metabolites showing surface enrichment and lower concentrations with increasing depth. Select metabolites displayed seasonal patterns throughout the year, and this seasonality was repeated in each of the years sampled. Concentrations of vitamins, including pantothenic acid (vitamin B 5 ) and riboflavin (vitamin B 2 ), increased annually during winter periods when mixed layer depths were deepest. During diel sampling, light-sensitive riboflavin decreased significantly during daylight hours. Metabolite concentrations over time at BATS showed less variability compared to a previous sample set collected over a broad latitudinal range in the western Atlantic Ocean. The metabolites examined in this study are all components of central carbon metabolism. By examining these metabolites at finer resolution and in a relatively long time series, we have insights into microbial biogeochemical activity, data which are fundamental to understanding the chemical response of marine systems to future changes in climate.

Marine sinking particles transport carbon from the surface and bury it in deep sea sediments where it can be sequestered on geologic time scales. The combination of the surface ocean food web that produces these particles and the particle-associated microbial community that degrades these particles, creates a complex set of variables that control organic matter cycling. We use targeted metabolomics to characterize a suite of small biomolecules, or metabolites, in sinking particles and compare their metabolite composition to that of the suspended particles in the euphotic zone from which they are likely derived. These samples were collected in the South Atlantic subtropical gyre, as well as in the equatorial Atlantic region and the Amazon River plume. The composition of targeted metabolites in the sinking particles was relatively similar throughout the transect, despite the distinct oceanic regions in which they were generated. Metabolites possibly derived from the degradation of nucleic acids and lipids, such as xanthine and glycine betaine, were an increased mole fraction of the targeted metabolites in the sinking particles relative to surface suspended particles, while algal-derived metabolites like the osmolyte dimethylsulfoniopropionate were a smaller fraction of the observed metabolites on the sinking particles. These compositional changes are shaped both by the removal of metabolites associated with detritus delivered from the surface ocean and by production of metabolites by the sinking particle-associated microbial communities. Further, they provide a basis for examining the types and quantities of metabolites that may be delivered to the deep sea by sinking particles.