A simple protocol is presented for the solid‐phase extraction of dissolved organic matter (SPE‐DOM) from seawater using commercially prepacked cartridges. The method does not require major instrumentation and can be performed in the field. Modified styrene divinyl benzene polymer type sorbents (Varian PPL and ENV) and sorbents of a silica structure bonded with different hydrocarbon chains (Varian C8, C18, C18OH, and C18EWP) were considered. Except for C18OH, which heavily contaminated the samples, none of the sorbents leached significant amounts of dissolved organic carbon (DOC) or nitrogen (DON). Samples from the North Brazil shelf with strong mixing gradients of terrigenous and marine DOM were used to compare the various sorbents. PPL was the most efficient—on average, 62% of DOC was recovered as salt‐free extracts. C18 was found to be most efficient among the silica‐based sorbents, but it showed only two‐thirds of the extraction efficiency of PPL. As indicated by [ 1 H]NMR, C/N, and δ 13 C analyses, PPL extracted a more representative proportion of DOM than C18. Therefore, PPL was used for comparative studies in the Gulf of Mexico and Antarctica. From brackish marsh and river waters, 65% and 62% of total DOC, respectively, could be extracted. For purely marine DOM in Antarctica and the deep sea, the extraction efficiency was lower (43% on average). The efficiency of the new method to isolate marine DOM is better than or similar to highly laborious methods. A further advantage is the complete desalination of the sample. The isolation of a major DOM fraction, which is salt‐free, offers many possibilities to further characterize DOM by advanced analytical techniques.

Abstract Recent progress in Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FTICRMS) has provided extensive molecular mass data for complex natural organic matter (NOM). Structural information can be deduced solely from the molecular masses for ions with extreme molecular element ratios, in particular low H/C ratios, which are abundant in thermally altered NOM (e.g. black carbon). In this communication we propose a general aromaticity index (AI) and two threshold values as unequivocal criteria for the existence of either aromatic (AI > 0.5) or condensed aromatic structures (AI ≥ 0.67) in NOM. AI can be calculated from molecular formulae which are derived from exact molecular masses of naturally occurring compounds containing C, H, O, N, S and P, and is especially useful for substances with aromatic cores and few alkylations. In order to test the validity of our model index, AI is applied to FTICRMS data of a NOM deep‐water sample from the Weddell Sea (Antarctica), a fulvic acid standard, and an artificial dataset of all theoretically possible molecular formulae. For graphical evaluation a ternary plot is suggested for four‐dimensional data representation. The proposed aromaticity index is a step towards structural identification of NOM and the molecular identification of polyaromatic hydrocarbons in the environment. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

The chemical structure of refractory marine dissolved organic matter (DOM) is still largely unknown. Electrospray ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (ESI FT-ICR-MS) was used to resolve the complex mixtures of DOM and provide valuable information on elemental compositions on a molecular scale. We characterized and compared DOM from two sharply contrasting aquatic environments, algal-derived DOM from the Weddell Sea (Antarctica) and terrigenous DOM from pore water of a tropical mangrove area in northern Brazil. Several thousand molecular formulas in the mass range of 300–600 Da were identified and reproduced in element ratio plots. On the basis of molecular elemental composition and double-bond equivalents (DBE) we calculated an average composition for marine DOM. O/C ratios in the marine samples were lower (0.36 ± 0.01) than in the mangrove pore-water sample (0.42). A small proportion of chemical formulas with higher molecular mass in the marine samples were characterized by very low O/C and H/C ratios probably reflecting amphiphilic properties. The average number of unsaturations in the marine samples was surprisingly high (DBE = 9.9; mangrove pore water: DBE = 9.4) most likely due to a significant contribution of carbonyl carbon. There was no significant difference in elemental composition between surface and deep-water DOM in the Weddell Sea. Although there were some molecules with unique marine elemental composition, there was a conspicuous degree of similarity between the terrigenous and algal-derived end members. Approximately one third of the molecular formulas were present in all marine as well as in the mangrove samples. We infer that different forms of microbial degradation ultimately lead to similar structural features that are intrinsically refractory, independent of the source of the organic matter and the environmental conditions where degradation took place.

Soils, sediments, freshwaters, and marine waters contain natural organic matter (NOM), an exceedingly complex mixture of organic compounds that collectively exhibit a nearly continuous range of properties (size-reactivity continuum). NOM is composed mainly of carbon, hydrogen, and oxygen, with minor contributions from heteroatoms such as nitrogen, sulfur, and phosphorus. Suwannee River fulvic acid (SuwFA) is a fraction of NOM that is relatively depleted in heteroatoms. Ultrahigh resolution Fourier transform ion cyclotron (FTICR) mass spectra of SuwFA reveal several thousand molecular formulas, corresponding in turn to several hundred thousand distinct chemical environments of carbon even without accountancy of isomers. The mass difference Δm among adjoining C,H,O-molecules between and within clusters of nominal mass is inversely related to molecular dissimilarity: any decrease of Δm imposes an ever growing mandatory difference in molecular composition. Molecular formulas that are expected for likely biochemical precursor molecules are notably absent from these spectra, indicating that SuwFA is the product of diagenetic reactions that have altered the major components of biomass beyond the point of recognition. The degree of complexity of SuwFA can be brought into sharp focus through comparison with the theoretical limits of chemical complexity, as constrained and quantized by the fundamentals of chemical binding. The theoretical C,H,O-compositional space denotes the isomer-filtered complement of the entire, very vast space of molecular structures composed solely of carbon, hydrogen, and oxygen. The molecular formulas within SuwFA occupy a sizable proportion of the theoretical C,H,O-compositional space. A 100 percent coverage of the theoretically feasible C,H,O-compositional space by SuwFA molecules is attained throughout a sizable range of mass and H/C and O/C elemental ratios. The substantial differences between (and complementarity of) the SuwFA molecular formulas that are observed using six different modes of ionization (APCI, APPI, and ESI in positive and negative modus) imply considerable selectivity of the ionization process and suggest that the observed mass spectra represent simplified projections of still more complex mixtures.

Abstract. The present paper is the result of a workshop sponsored by the DFG Research Center/Cluster of Excellence MARUM "The Ocean in the Earth System", the International Graduate College EUROPROX, and the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research. The workshop brought together specialists on organic matter degradation and on proxy-based environmental reconstruction. The paper deals with the main theme of the workshop, understanding the impact of selective degradation/preservation of organic matter (OM) in marine sediments on the interpretation of the fossil record. Special attention is paid to (A) the influence of the molecular composition of OM in relation to the biological and physical depositional environment, including new methods for determining complex organic biomolecules, (B) the impact of selective OM preservation on the interpretation of proxies for marine palaeoceanographic and palaeoclimatic reconstruction, and (C) past marine productivity and selective preservation in sediments. It appears that most of the factors influencing OM preservation have been identified, but many of the mechanisms by which they operate are partly, or even fragmentarily, understood. Some factors have not even been taken carefully into consideration. This incomplete understanding of OM breakdown hampers proper assessment of the present and past carbon cycle as well as the interpretation of OM based proxies and proxies affected by OM breakdown. To arrive at better proxy-based reconstructions "deformation functions" are needed, taking into account the transport and diagenesis-related molecular and atomic modifications following proxy formation. Some emerging proxies for OM degradation may shed light on such deformation functions. The use of palynomorph concentrations and selective changes in assemblage composition as models for production and preservation of OM may correct for bias due to selective degradation. Such quantitative assessment of OM degradation may lead to more accurate reconstruction of past productivity and bottom water oxygenation. Given the cost and effort associated with programs to recover sediment cores for paleoclimatological studies, as well as with generating proxy records, it would seem wise to develop a detailed sedimentological and diagenetic context for interpretation of these records. With respect to the latter, parallel acquisition of data that inform on the fidelity of the proxy signatures and reveal potential diagenetic biases would be of clear value.

For the calculation of the Aromaticity Index (AI) all functional groups that potentially contribute Double Bond Equivalents (DBE) through bonds between carbon and heteroelements are subtracted from the original molecular formula. DBEAI is the DBE of the resulting molecular core, and CAI is the respective number of carbon atoms. AI is the DBEAI to CAI ratio. This error in Eqn. 3 does not affect the figures, interpretations and conclusions. Erratum written by: T. Dittmar, Carl von Ossietzky University Oldenburg, Institute for Chemistry and Biology of the Marine Environment (ICBM), 26129 Oldenburg, Germany. E-mail: [email protected]

Abstract. High-performance, non-target, high-resolution organic structural spectroscopy was applied to solid phase extracted marine dissolved organic matter (SPE-DOM) isolated from four different depths in the open South Atlantic Ocean off the Angola coast (3° E, 18° S; Angola Basin) and provided molecular level information with extraordinary coverage and resolution. Sampling was performed at depths of 5 m (Angola Current; near-surface photic zone), 48 m (Angola Current; fluorescence maximum), 200 m (still above Antarctic Intermediate Water, AAIW; upper mesopelagic zone) and 5446 m (North Atlantic Deep Water, NADW; abyssopelagic, ~30 m above seafloor) and produced SPE-DOM with near 40% carbon yield and beneficial nuclear magnetic resonance (NMR) relaxation properties, a crucial prerequisite for the acquisition of NMR spectra with excellent resolution. 1H and 13C NMR spectra of all four marine SPE-DOM showed smooth bulk envelopes, reflecting intrinsic averaging from massive signal overlap, with a few percent of visibly resolved signatures and variable abundances for all major chemical environments. The abundance of singly oxygenated aliphatics and acetate derivatives in 1H NMR spectra declined from surface to deep marine SPE-DOM, whereas C-based aliphatics and carboxyl-rich alicyclic molecules (CRAM) increased in abundance. Surface SPE-DOM contained fewer methyl esters than all other samples, likely a consequence of direct exposure to sunlight. Integration of 13C NMR spectra revealed continual increase of carboxylic acids and ketones from surface to depth, reflecting a progressive oxygenation, with concomitant decline of carbohydrate-related substructures. Aliphatic branching increased with depth, whereas the fraction of oxygenated aliphatics declined for methine, methylene and methyl carbon. Lipids in the oldest SPE-DOM at 5446 m showed a larger share of ethyl groups and methylene carbon than observed in the other samples. Two-dimensional NMR spectra showed exceptional resolution and depicted resolved molecular signatures in excess of a certain minimum abundance. Classical methyl groups terminating aliphatic chains represented ~15% of total methyl in all samples investigated. A noticeable fraction of methyl (~2%) was bound to olefinic carbon. Methyl ethers were abundant in surface marine SPE-DOM, and the chemical diversity of carbohydrates was larger than that of freshwater and soil DOM. In all samples, we identified sp2-hybridized carbon chemical environments with discrimination of isolated and conjugated olefins and α,β-unsaturated double bonds. Olefinic proton and carbon atoms were more abundant than aromatic ones; olefinic unsaturation in marine SPE-DOM will be more directly traceable to ultimate biogenic precursors than aromatic unsaturation. The abundance of furan, pyrrol and thiophene derivatives was marginal, whereas benzene derivatives, phenols and six-membered nitrogen heterocycles were prominent; a yet unassigned set of six-membered N-heterocycles with likely more than one single nitrogen occurred in all samples. Various key polycyclic aromatic hydrocarbon substructures suggested the presence of thermogenic organic matter at all water depths. Progressive NMR cross-peak attenuation from surface to deep marine SPE-DOM was particularly strong in COSY NMR spectra and indicated a continual disappearance of biosignatures as well as entropy gain from an ever increased molecular diversity. Nevertheless, a specific near-seafloor SPE-DOM signature of unsaturated molecules recognized in both NMR and Fourier transform ion cyclotron mass spectrometry (FTICR/MS) possibly originated from sediment leaching. The conformity of key NMR and FTICR/MS signatures suggested the presence of a large set of identical molecules throughout the entire ocean column even though the investigated water masses belonged to different oceanic regimes and currents. FTICR/MS showed abundant CHO, CHNO, CHOS and CHNOS molecular series with slightly increasing numbers of mass peaks and average mass from surface to bottom SPE-DOM. The proportion of CHO and CHNO negative ions increased from surface to depth, whereas CHOS and especially CHNOS molecular series markedly declined. While certain rather aliphatic CHOS and CHNOS ions were observed solely in the surface, deep marine SPE-DOM was enriched in unique unsaturated and rather oxygenated CHO and CHNO molecular series. With the exception of abyssopelagic SPE-DOM at 5446 m, which showed a peculiar CHOS chemistry of unsaturated carbon and reduced sulphur (black sulphur), CHO and CHNO molecular series contributed ~87% to total positive electrospray ionization FTICR mass peak integral, with a near constant ratio of CHNO / CHO molecular compositions near 1.13 ± 0.05. In case of all four marine SPE-DOM, remarkably disparate average elemental compositions as determined from either MS and NMR spectra were observed, caused by a pronounced ionization selectivity in electrospray ionization FTICR/MS. The study demonstrates that the exhaustive characterization of complex unknowns in marine DOM will enable a meaningful classification of individual marine biogeosignatures. Future in-depth functional biodiversity studies with a clear understanding of DOM structure and function might eventually lead to a novel, unified perception of biodiversity and biogeochemistry.

Abstract The Arctic icescape is rapidly transforming from a thicker multiyear ice cover to a thinner and largely seasonal first-year ice cover with significant consequences for Arctic primary production. One critical challenge is to understand how productivity will change within the next decades. Recent studies have reported extensive phytoplankton blooms beneath ponded sea ice during summer, indicating that satellite-based Arctic annual primary production estimates may be significantly underestimated. Here we present a unique time-series of a phytoplankton spring bloom observed beneath snow-covered Arctic pack ice. The bloom, dominated by the haptophyte algae Phaeocystis pouchetii , caused near depletion of the surface nitrate inventory and a decline in dissolved inorganic carbon by 16 ± 6 g C m −2 . Ocean circulation characteristics in the area indicated that the bloom developed in situ despite the snow-covered sea ice. Leads in the dynamic ice cover provided added sunlight necessary to initiate and sustain the bloom. Phytoplankton blooms beneath snow-covered ice might become more common and widespread in the future Arctic Ocean with frequent lead formation due to thinner and more dynamic sea ice despite projected increases in high-Arctic snowfall. This could alter productivity, marine food webs and carbon sequestration in the Arctic Ocean.

Abstract. Dissolved organic matter (DOM) was extracted by solid-phase extraction (SPE) from 137 water samples from different climate zones and different depths along an eastern Atlantic Ocean transect. The extracts were analyzed with Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS) with electrospray ionization (ESI). Δ14C analyses were performed on subsamples of the SPE-DOM. In addition, the amount of dissolved organic carbon was determined for all water and SPE-DOM samples as well as the yield of amino sugars for selected samples. Linear correlations were observed between the magnitudes of 43 % of the FT-ICR mass peaks and the extract Δ14C values. Decreasing SPE-DOM Δ14C values went along with a shift in the molecular composition to higher average masses (m/z) and lower hydrogen/carbon (H/C) ratios. The correlation was used to model the SPE-DOM Δ14C distribution for all 137 samples. Based on single mass peaks, a degradation index (IDEG) was developed to compare the degradation state of marine SPE-DOM samples analyzed with FT-ICR MS. A correlation between Δ14C, IDEG, DOC values and amino sugar yield supports that SPE-DOM analyzed with FT-ICR MS reflects trends of bulk DOM. DOM weighted normalized mass peak magnitudes were used to compare aged and recent SPE-DOM on a semi-quantitative molecular basis. The magnitude comparison showed a continuum of different degradation rates for the detected compounds. A high proportion of the compounds should persist, possibly modified by partial degradation, in the course of thermohaline circulation. Prokaryotic (bacterial) production, transformation and accumulation of this very stable DOM occur primarily in the upper ocean. This DOM is an important contribution to very old DOM, showing that production and degradation are dynamic processes.