Photosensitizing properties of dissolved organic carbon in Canadian prairie pothole wetland ponds change in response to sunlight

Abstract

Dissolved organic carbon (DOC) is an important component of the global carbon cycle providing ecological services such as carbon sources for microorganisms and the provision of a protective barrier between ultraviolet radiation and aquatic organisms. Our study examined the impacts of photodegradation on the optical properties of DOC in prairie wetland ponds in central Saskatchewan, Canada. Surface water was collected from two ponds with seasonal average DOC concentrations of 71.1 mg L⁻¹ (More-DOC Pond) and 32.7 mg L⁻¹ (Less-DOC Pond) and filtered through 1.2 µm GF/Fs into Teflon bottles transparent to UV light. Samples divided into dark and light treatments were incubated in situ at three different depths (surface, 0.25m, and 0.5 m) and collected every 2 weeks for 4 months. Excitation emission matrix scans from 300 to 800 nm and absorbance at 254 nm were measured. Absorbance at 254 nm in the More-DOC Pond and Less-DOC Pond waters decreased by 34% and 50%, respectively. Two fluorescence components were identified corresponding to previous published peaks C and M. Although bulk DOC concentrations did not show significant differences over time, fluorescence intensity of peak C decreased by 39% and 47%, and of peak M increased by 19% and 29%, in the More-DOC Pond and Less-DOC Pond, respectively. Increases in other fluorescence indicators such as fluorescence index (35% and 22%) and FRESH (29% and 30%) were also observed. Overall, terrestrial DOC from our sampling ponds became less aromatic, more aliphatic, of lower molecular weight, and lost absorptivity and fluorescence intensity after 12 weeks of incubation. Results of this study will provide a better understanding of optical characterizations and sources of DOC, and act as a foundation to further study on the role of DOC in prairie wetland ponds.

RÉSUMÉ

Le carbone organique dissous (COD) est un composant important du cycle global du carbone,cfournissant des services écologiques tels que être sources de carbone pour les micro-organismescet la fourniture d'une barrière protectrice entre les rayons ultraviolets et les organismescaquatiques. Notre étude a examiné les impacts de la photodégradation sur les propriétés optiquescdu COD dans les zones humides des prairies du centre de la Saskatchewan, au Canada. Lesceaux de surface ont été deux étangs dont les concentrations moyennes saisonnières de CODcétaient de 71,1 mg L-1 (étang More-DOC) et de 32,7 mg L-1 (étang Less-DOC). Cescéchantillons d'eau ont été filtrés à travers de 1,2 μm dans des bouteilles en téflon transparentes àcla lumière UV. Les échantillons, divisés en traitements sombres et lumineux, ont été incubés incsitu à trois profondeurs différentes (surface, 0,25 m et 0,5 m) et collectés toutes les 2 semainescpendant 4 mois. Les balayages de la matrice d'excitation et d'émission de 300 à 800 nm etcl'absorbance à 254 nm ont été mesurés. L'absorbance à 254 nm dans l'étang More-DOC etcl'étang Less-DOC ont diminué de 34 % et 50 %, respectivement. Deux composantes decfluorescence ont été identifiés, correspondant aux pics C et M précédemment publiés. Malgrécque la concentration total de DOC n'a pas montré de différences significatives au fil du temps, l'intensité de fluorescence du pic C a diminué de 39% et 47%, et du pic M a augmenté de 19% etc29%, dans l'étang More-DOC et l'étang Less-DOC, respectivement. Les augmentations d'autrescindicateurs de fluorescence tels que l'indice de fluorescence (35 % et 22 %) et l'indice FRESHc(29% et 30%) ont également été observées. Dans l'ensemble, le COD terrestre de nos étangscd'échantillonnage est devenu moins aromatique, plus aliphatique, de poids moléculaire plus faible,cet a perdu de l'absorptivité et de l'intensité de fluorescence après 12 semaines d'incubation. Lescrésultats de cette étude permettront de mieux comprendre les caractérisations optiques et lescsources de COD, et serviront de base à des études plus poussées sur le rôle du COD dans lescétangs des zones humides des prairies.

Keywords:

• Dissolved organic carbon
• photodegradation
• North American Great Plains
• prairie wetland ponds
• emission excitation matrix
• PARAFAC
• fluorescence index
• FRESH index

Acknowledgements

We thank Claire Douglas, Francisco Vega Reyes, Nicole Rodgers, Zohra Zahir, Rahul Bhattacharyya, and many more for sampling assistance. We thank Dr. Suzanne Tank, Dr. Brian Branfireun, and their lab members for their help analyzing DOC early in our process. This study was funded by Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) and the Saskatchewan Fish and Wildlife Development Fund and supported by University of Regina. The authors confirm that the data supporting the findings of this study are available within the article and its supplementary materials.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Data availability statement

The data that support the findings of this study are available from the corresponding author, [BDH], upon request.