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Evaluation of nitrogen sources in the Urías lagoon system, Gulf of California, based on stable isotopes in macroalgae

The concentrations of chemical forms of nitrogen (N) and their isotopic composition in the water column and the δ15N signals in 738 samples of macroalgae collected during one year across the Urias lagoon system (Mazatlan, Sinaloa, Mexico) were analyzed in order to study the N sources. The δ15N-macroalgae premise is that they register and integrate the variability of N and may provide time-integrated information about N pollution. To validate this premise, we applied two models to predict the isotopic variability of N available in the water column (δ15N-DIN): one is based on a physical mixing balance of N sources (simple model), and the second includes the effects of the biogeochemical processes on the signals (coupled model, CM). Both models showed significant R2, but CM better explained the δ15N-DIN variability. The relation between δ15N-DINCM and δ15N-macroalgae also showed a good fit, although lower than expected and with higher dispersion. The multiple N sources and co-occurring biogeochemical reactions, which produce a mixture of chemical species of N and of their isotopic compositions, as well as the high diversity of species (45) explained the elevated variability and lack of fit. Even so, δ15N in macroalgae is the most useful available tool to quantify the relative contributions of N to ecosystems from different sources. Based on Bayesian isotopic mixing models, the main anthropogenic sources of N to the Urias lagoonal system were domestic effluents (50%), atmospheric deposition (24%), and seafood processing plant effluents (21%), and to a lesser extent, aquaculture effluents (3%), agriculture runoff (1%), and oceanic N (1%). 
 
 
Las concentraciones de las formas quimicas de nitrogeno (N) y su composicion isotopica en la columna de agua y las senales de δ15N en 738 muestras de macroalgas recolectadas durante un ano en el sistema lagunar de Urias (Mazatlan, Sinaloa, Mexico) fueron analizadas para estimar las fuentes de N. La premisa sobre el uso de δ15N en macroalgas es que las macroalgas asimilan 15N en proporcion a la disponibilidad y reflejan la fuente de N de una manera predecible. Para validar esta premisa, se aplicaron dos modelos para la prediccion de la variabilidad isotopica del N en el agua (δ15N-NID): el primero se basa en una mezcla fisica de las fuentes de N (modelo simple), y el segundo integra los efectos de procesos biogeoquimicos sobre sus senales isotopicas (modelo acoplado, MA). Ambos modelos mostraron valores de R2 significativos, pero el MA explico mejor la variabilidad del δ15N-NID. La relacion entre δ15N-NIDMA y δ15N-macroalgas tambien mostro un buen ajuste, aunque menor al esperado y con una alta dispersion. Las multiples fuentes de N y reacciones biogeoquimicas concurrentes, que producen una mezcla compleja de especies quimicas de N y de sus composiciones isotopicas, ademas de la alta diversidad de especies (45), explicaron la elevada variabilidad y la falta de ajuste. Aun asi, la tecnica de δ15N en macroalgas es la herramienta mas util que existe para cuantificar las contribuciones relativas de N a los ecosistemas derivadas de diferentes fuentes. Con base en la resolucion de ecuaciones de mezcla isotopica por estadistica Bayesiana, las principales fuentes de N antropogenico en el sistema lagunar de Urias fueron los efluentes domesticos (50%), el deposito atmosferico (24%), los efluentes del procesamiento de productos pesqueros (21%) y, en menor proporcion, los efluentes acuicolas (3%) los escurrimientos agricolas (1%) y N oceanico (1%).