Verbluffende nieuwe resultaten tonen aan dat rotsachtige minerale afzettingen in de diepzee zuurstof kunnen produceren.
De vlakke, pikzwarte zeebodem van de Clarion-Clipperton Zone (CCZ) in de Stille Oceaan is bezaaid met wat lijkt op brokken houtskool. Deze onopvallende minerale afzettingen, polymetaalknollen genaamd, herbergen een uniek diepzee-ecosysteem, waarvan wetenschappers nog veel moeten catalogiseren. De afzettingen zijn ook een belangrijk doelwit voor bedrijven die de diepzee willen ontginnen omdat ze metalen bevatten als mangaan en kobalt, die worden gebruikt om batterijen te maken.
Nu hebben onderzoekers ontdekt dat deze waardevolle knollen iets opmerkelijks doen: ze produceren zuurstof - en ze doen dat zonder zonlicht. ‘Dit is een totaal nieuwe en onverwachte ontdekking’, zegt Lisa Levin, emeritus professor biologische oceanografie aan het Scripps Institution of Oceanography, die niet bij het onderzoek betrokken was. Normaal gesproken wordt aangenomen dat het zuurstofgas op aarde afkomstig is van levende organismen die zonlicht, koolstofdioxide en water omzetten in zuurstof en suiker. Het idee dat een deel van het gas afkomstig kan zijn van deze levenloze mineralen en geproduceerd kan worden in totale duisternis ‘gaat sterk in tegen wat we traditioneel denken over zuurstofproductie’, zegt Jeffrey Marlow, microbioloog aan de Universiteit van Boston en co-auteur van het onderzoek, dat maandag werd gepubliceerd in Nature Geoscience.
Het verhaal van de ontdekking gaat terug tot 2013, toen diepzee-ecoloog Andrew Sweetman voor een frustrerend probleem stond. Hij maakte deel uit van een onderzoeksteam dat probeerde te meten hoeveel zuurstof organismen op de zeebodem van CCZ verbruikten. De onderzoekers stuurden landers zo’n 4.000 meter naar beneden om afgesloten kamers op de zeebodem te creëren die zouden bijhouden hoe het zuurstofgehalte in het water in de loop van de tijd daalde.
Maar het zuurstofgehalte daalde niet, integendeel, het steeg het aanzienlijk. Sweetman dacht dat de sensoren kapot waren en stuurde de instrumenten terug naar de fabrikant om ze opnieuw te laten kalibreren. ‘Dit gebeurde vier of vijf keer’ in de loop van vijf jaar, zegt Sweetman, die ecologie en biogeochemie van de zeebodem bestudeert aan de Scottish Association for Marine Science. ‘Ik zei letterlijk tegen mijn studenten: 'Gooi die sensoren in de prullenbak. Ze werken gewoon niet.’’
In 2021 kon hij terug naar het CCZ op een onderzoeksexpeditie, gesponsord door het diepzeemijnbouwbedrijf Metals Company. Opnieuw gebruikte zijn team diepzeelanders om afgesloten kamers op de zeebodem te maken. De kamers omsloten sediment, knollen, levende organismen en zeewater en controleerden het zuurstofgehalte. Sweetman en zijn team gebruikten dit keer een andere techniek om zuurstof te meten, maar ze zagen dezelfde vreemde resultaten: de zuurstofniveaus stegen dramatisch.
‘Plotseling realiseerde ik me dat ik dit enorm belangrijke proces had genegeerd en ik kon me wel voor mijn kop slaan’, zegt Sweetman. ‘Mijn denkwijze veranderde volledig en ik richtte me op de oorzaak.’
‘Mijn eerste gedachte was microbiologie, en dat komt omdat ik microbioloog ben’, zegt Marlow. Het was geen vergezocht idee: wetenschappers hadden onlangs enkele manieren ontdekt waarop microben zoals bacteriën en archaea ‘donkere zuurstof’ konden genereren bij afwezigheid van zonlicht. In laboratoriumtests die de omstandigheden op de zeebodem in het nieuwe onderzoek nabootsten, vergiftigden de onderzoekers het zeewater met kwikchloride om microben te doden. Maar het zuurstofgehalte steeg nog steeds.
Als deze donkere zuurstof niet afkomstig is van een biologisch proces, dan moet het van een geologisch proces komen, redeneerden de onderzoekers. Ze deden testen en sloten een aantal mogelijke hypotheses uit, zoals dat radioactiviteit in de knollen zuurstof van het zeewater afscheidde of dat een andere omgevingsfactor zuurstofgas van het mangaanoxide in de knollen afscheidde.
Op een dag in 2022 keek Sweetman naar een video over diepzeemijnbouw toen hij de knollen ‘een batterij in een rots’ hoorde noemen - een uitdrukking die Gerard Barron, de CEO van The Metals Company, graag gebruikt. Dat bracht Sweetman ertoe zich af te vragen: ‘Zouden de metalen in deze knollen op de een of andere manier kunnen fungeren als natuurlijke geobatterijen?’ Indien dat het geval was, zouden ze zeewater kunnen splitsen in waterstof en zuurstof via een proces dat elektrolyse heet. (Je kunt dit thuis uitproberen door een kleine batterij in zout water te laten vallen en te kijken hoe het waterstofgas en zuurstofgas opborrelen).
‘Batterijen in een rots’ was slechts een metafoor, voor zover de wetenschappers wisten - het feit dat de knollen metalen bevatten die worden gebruikt om batterijen te maken, betekent niet dat ze zelf elektrisch geladen zijn. Om een lading te creëren, zouden positieve en negatieve ionen tot op zekere hoogte gescheiden moeten worden binnen een knol, waardoor een verschil in elektrisch potentiaal ontstaat. Om te zien of dat gebeurde, vloog Sweetman naar Illinois om samen met Franz Geiger, fysisch chemicus aan Northwestern University, de elektrische lading van de knolletjes te testen.
‘Verbazingwekkend genoeg stond er bijna een volt op het oppervlak van deze knollen’, zegt Sweetman - ter vergelijking: een AA-batterij heeft een spanning van ongeveer 1,5 volt. De belangrijkste theorie van de onderzoekers is dat de lading zeewater splitst om zuurstof te creëren, hoewel ze nog niet hebben getest of het uitschakelen van de elektrische lading van de knollen de zuurstofproductie stopt. De wetenschappers zijn van plan om dit in de toekomst te testen.
Geiger denkt dat de polymetallische knollen geladen raken naarmate ze groeien, en verschillende metalen zich in de loop van de tijd op onregelmatige wijze afzetten. De knolletjes vormen zich rond een klein voorwerp, zoals een haaientand. Als je er een opensnijdt, ‘zien ze eruit als doorsneden van boomringen’ of als lagen van een ui, zegt Geiger. Deze metaallagen groeien slechts millimeters per miljoen jaar en de soorten metalen die worden afgezet veranderen in de loop van de tijd, waardoor er mogelijk een gradiënt in lading ontstaat tussen elke laag die resulteert in elektrisch potentiaal. Dat verklaart niet waarom er verschillen in lading zijn op het oppervlak van de knollen, maar Geiger denkt dat hun porositeit ervoor zorgt dat een deel van hun binnenste lagen blootligt.
Het was tot nu toe niet bekend dat gesteenten op deze manier lading dragen, aldus Geiger. ‘Dit ‘is een van de meest fascinerende dingen waar mijn lab en ik ooit aan hebben gewerkt’, voegt hij eraan toe.
Het is nog steeds niet duidelijk of (en in welke mate) de knollen op natuurlijke wijze zuurstof creëren op de zeebodem. Bij de meeste experimenten stagneerde de zuurstofconcentratie in de kamers na twee dagen. Dat zou erop kunnen wijzen dat de lander iets aan de omgeving heeft veranderd - bijvoorbeeld door sediment omhoog te schoppen - waardoor de zuurstofproductie op gang kwam. Het is ook mogelijk dat de zuurstofproductie uiteindelijk stopte door een ‘flesseneffect’ in de afgesloten kamer, zegt Marlow. ‘De producten stapelen zich op, de reactanten gaan weg en dan stopt de reactie min of meer. Maar in een open systeem... zou het een consistenter proces kunnen zijn’, legt hij uit.
Bo Barker Jørgensen, marien biogeochemicus aan het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie in Bremen, Duitsland, zegt dat de bevindingen ‘heel vreemd’ zijn en veel vragen oproepen. (Jørgensen was niet betrokken bij het onderzoek, maar was een van de peer reviewers van de paper voor Nature Geoscience.) Hij is sceptisch over het feit dat deze knollen zuurstof produceren als ze ongestoord op de zeebodem worden achtergelaten. Toch, voegt hij eraan toe, ‘lijkt het erop dat een elektrolytische reactie op het mangaanknoloppervlak inderdaad zuurstof produceert. En dat is op zich een zeer interessante observatie die bij mijn weten nog niet eerder is waargenomen.’
De onderzoekers hebben nog geen idee welke rol deze door knollen geproduceerde zuurstof kan spelen in de ecosystemen op de zeebodem van het CCZ. Milieuonderzoeken hebben aangetoond dat de knollen en het omringende sediment een habitat zijn voor diepzeeleven: alles van eencellige microben tot ‘megafauna’ - dieren die met het blote oog zichtbaar zijn zoals vissen, zeesterren en wormen. Ongeveer de helft van de megafauna die tijdens het onderzoek in 2013 werd gecatalogiseerd, werd alleen op de knollen gevonden.
Net als het grootste deel van de diepe oceaan is de zeebodem van het CCZ een ‘slecht begrepen ecosysteem’, zegt Levin. ‘We hebben de meeste soorten in de diepzee nog niet eens ontdekt, laat staan bestudeerd.’
Er wordt gesproken over diepzeemijnbouwprojecten in de CCZ die knollen zouden winnen uit stukken zeebodem. De International Seabed Authority (ISA), die de zeebodem in internationale wateren beheert, bespreekt momenteel regels en voorschriften voor het delven van de knollen en andere diepzeedoelen. Zevenentwintig landen, waaronder 26 lidstaten van de ISA, hebben opgeroepen tot een moratorium, een voorzorgspauze of een verbod op diepzeemijnbouw.
‘Ik denk niet dat dit onderzoek een ‘nagel aan de doodskist’ is voor diepzeemijnbouw - dat is nooit de bedoeling geweest’, zegt Sweetman. ‘Het is gewoon nog iets waar we nu rekening mee moeten houden als we moeten beslissen: ‘Gaan we de diepe oceaan ontginnen of niet?’ Voor mij moet die beslissing gebaseerd zijn op degelijk wetenschappelijk advies en input.’
